Wetenschap
De spontane opkomst van 1D-supergeleidende strepen op een 2D-grensvlak in een oxide-heterostructuur
Onconventionele supergeleidende toestanden zijn toestanden van supergeleiding die hun oorsprong vinden in fysieke processen die niet in overeenstemming zijn met de conventionele theorie van supergeleiding, namelijk de theorie van Bardeen, Cooper en Schrieffer (BCS). Deze toestanden worden gekenmerkt door nauwe interacties tussen magnetisme en supergeleiding.
Onderzoekers van de University of Science and Technology of China (USTC), Tsinghua University en Fudan University hebben onlangs geprobeerd de mechanismen die ten grondslag liggen aan onconventionele supergeleiding beter te begrijpen. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , onthulde de spontane opkomst van een ruimtelijk variërende supergeleidende toestand in een oxide-heterostructuur, specifiek op het grensvlak tussen KTaO3 en ferromagnetisch EuO.
"Ons recente artikel bestudeerde de onconventionele supergeleiding op het grensvlak tussen (110)-georiënteerde KTaO3 (KTO) en ferromagnetisch EuO," vertelde Ziji Xiang van USTC, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Zowel KTO als EuO zijn isolatoren, maar hun interface in zo'n heterostructuur herbergt tweedimensionaal elektronengas (2DEG) dat wordt supergeleidend bij lage temperaturen."
De recente studie van dit team van onderzoekers had twee hoofddoelstellingen. De eerste was om nieuwe supergeleidende toestanden te onthullen in een oxide-heterostructuur met een ferromagnetische bovenlaag (dat wil zeggen EuO). De tweede was om de evolutie van grensvlak-supergeleiding te onderzoeken na gerichte experimentele manipulaties, zoals het veranderen van de dragerdichtheid (ns ) van de interface.
"Ons onderzoek is geïnspireerd door het idee dat onconventionele supergeleiding meestal ontstaat in de nabijheid van magnetisme", aldus Xiang. "In het bijzonder voor op koper en ijzer gebaseerde hoge-temperatuur-supergeleiders zijn veel van de voorgestelde supergeleidende koppelingsmechanismen nauw verbonden met magnetisme; bovendien kan de wisselwerking tussen magnetisme en supergeleiding leiden tot meer eigenaardige fasen van materie, waaronder de pair-density-wave (PDW)-orde met een ruimtelijk oscillerende supergeleidende ordeparameter en eindige-momentum-paring, wat de laatste tijd een intensief aandachtspunt van onderzoek is."
De door Xiang en zijn collega's onderzochte EuO/KTO-heterostructuur vertoont een sterk ferromagnetisch nabijheidseffect dat wordt opgewekt door de EuO-overlaag. Dit effect maakt het een ideaal platform om onconventionele supergeleiding te bestuderen.
"Het eerste rapport over de supergeleiding op de EuO/KTO-interface werd in 2021 gepubliceerd, met de nadruk op de KTO (111)-interface", zei Xiang. "Sindsdien hebben we gewerkt aan de EuO/KTO (110)-interface (rekening houdend met de verbeterde interfacekwaliteit), waarbij we in een eerder artikel de opkomst van tweedimensionale supergeleiding hebben onthuld."
De onderzoekers bereidden de EuO/KTO(110)-heterostructuren voor die in hun experimenten werden gebruikt met behulp van een techniek die bekend staat als moleculaire bundelepitaxie. Ze groeiden specifiek EuO-films bovenop (110)-georiënteerde KTO-monokristallijne substraten.
"Door de groeiomstandigheden te beheersen, konden we heterostructuren verkrijgen met verschillende grensvlakdragerdichtheid ns ', zei Xiang. 'Vervolgens vervaardigden we standaard Hall-bar-apparaten voor het uitvoeren van elektrische transportmetingen. De Hall-bar-apparaten zijn speciaal zo ontworpen dat de weerstand van het grensvlak 2DEG gelijktijdig kan worden gemeten voor twee orthogonale richtingen van aangelegde elektrische stroom:op het KTO (110)-oppervlak zijn deze twee orthogonale richtingen [001] en [1-10 ]."
Naast het uitvoeren van transportexperimenten analyseerden de onderzoekers de heterostructuren met behulp van een magnetometrietechniek gebaseerd op een scannend supergeleidend interferentieapparaat (scanning SQUID), in samenwerking met het laboratorium onder leiding van prof. Yihua Wang aan de Fudan Universiteit. Met deze techniek konden ze de magnetische eigenschappen van hun monsters karakteriseren.
In samenwerking met de onderzoeksgroep van prof. Zheng Liu aan de Tsinghua Universiteit voerden de onderzoekers ook een reeks basisberekeningen uit om hun experimentele observaties beter te begrijpen. Deze berekeningen waren gericht op het schetsen van de elektronische bandstructuur van het grensvlak 2DEG.
"Ten eerste onthulde ons elektrisch transport een zeer ongebruikelijke anisotropie in het vlak van de supergeleidende 2DEG op het EuO/KTO(110)-grensvlak", zei Xiang. "Dat wil zeggen dat zowel de overgangstemperatuur (Tc ) en het bovenste kritische veld (Hc2 , het magnetische veld waarbij de supergeleiding afbreekt) lijken sterk afhankelijk te zijn van de richting van de aangelegde elektrische stroom I; met I parallel aan [001], beide Tc en Hc2 zijn hoger dan het geval van I parallel aan [1-10]. Een dergelijke richtingsafhankelijkheid is zeer zeldzaam onder supergeleiders."
Scannen van SQUID-beeldvorming onthulde het optreden van twee opeenvolgende diamagnetische overgangen in de monsters van het team. Dit suggereert dat de richtingsafhankelijkheid van het transport die zij hebben waargenomen inderdaad voortkomt uit het naast elkaar bestaan van twee supergeleidende fasen op een micrometerafstand.
"Op basis van onze bevindingen stellen we een scenario voor waarin de supergeleidende fase met hogere Tc is een 'streepfase' waarin eendimensionale (1D) supergeleidende bundels ontstaan die in één richting langs [001] zijn uitgelijnd", aldus Xiang.
"Coherente supergeleiding wordt voor het eerst ontwikkeld binnen deze 1D-structuren, wat aanleiding geeft tot de richtingsafhankelijke Tc en Hc2 . Het tot stand brengen van 2D-supergeleiding over het gehele grensvlak vindt alleen plaats bij een lagere temperatuur."
Het tweede centrale resultaat is dat de bovengenoemde directionele supergeleiding alleen bestaat in heterostructuren met een lage 2DEG-draaggolfdichtheid (ns <~8´10 13 cm -2 ). Voor 2DEG's met hogere ns , de Tc en Hc2 nooit enige afhankelijkheid van de stroomrichting vertonen. Daarom moet de opkomst van de voorgestelde supergeleidende streepfase afhangen van de bandvulling.
"Het allerbelangrijkste is dat zowel ons experimentele als theoretische onderzoek suggereert dat de 2DEG alleen sterk gekoppeld is aan het EuO-ferromagnetisme in de lage ns monsters waarin de directionele supergeleiding wordt waargenomen,' zei Xiang.
"Vanwege deze sterke koppeling vertonen de elektronische banden van 2DEG een uitgesproken spinpolarisatie. Daarom concluderen we dat de vorming van een supergeleidende streepfase nauw verband moet houden met een dergelijk versterkt ferromagnetisch nabijheidseffect."
Het recente werk van Xiang en zijn collega's onthult een onconventionele supergeleidende toestand die wordt veroorzaakt door de nabijheid van een oxide-heterostructuur. Deze toestand, gekenmerkt door de spontane opkomst van 1D-supergeleidende strepen op een 2D-grensvlak, dient als een voorbeeld van hoe dimensies kunnen worden verkleind in supergeleidende toestanden.
"Dit waargenomen fenomeen doet ons denken aan de afmetingsreductie die is gerapporteerd in de koperoxide hoge-temperatuur-supergeleider La2-x Bax CuO4 (x =1/8), waarbij 2D-supergeleidende toestanden zich ontwikkelen in een driedimensionaal systeem als gevolg van de wisselwerking tussen supergeleiding en ladings-/spin-orders,' zei Xiang.
"Er is gesuggereerd dat deze 2D-supergeleidende toestanden PDW-toestanden zijn. Dus, wat is de aard van de opkomende supergeleidende strepen in onze heterostructuren? Zijn ze ook manifestaties van een PDW-orde of geassocieerd met enkele nog exotischere supergeleidende fasen?"
In hun volgende onderzoeken zullen de onderzoekers proberen deze belangrijke vragen te beantwoorden. Hun bevindingen tot nu toe bevestigen dat koppeling met magnetisme een cruciale rol speelt bij het realiseren van onconventionele supergeleiding.
In de toekomst zijn Xiang en zijn collega's van plan de supergeleidende streepfase die ze hebben waargenomen verder te onderzoeken, om meer te weten te komen over de onderliggende supergeleidende koppeling. Dit zou hen in staat kunnen stellen beter te begrijpen hoe deze exotische supergeleidende toestand kan voortkomen uit elektronische banden met een sterke spinpolarisatie.
"Helaas verhindert de aanwezigheid van een EuO-overlaag de toepassing van de meeste spectroscopische sondes voor een directe studie van de interface", voegde Xiang eraan toe. "We hebben gewerkt aan de ontwikkeling van een techniek die de superfluïde dichtheid op het grensvlak meet. Door de evolutie van de superfluïde dichtheid bij variërende temperaturen te volgen, kunnen we waardevolle informatie verkrijgen over de primaire thermodynamische eigenschappen van de supergeleidende streepfase, die zou kunnen zijn een cruciale stap naar een dieper begrip van de betrokken nieuwe natuurkunde."