Ikke-gensidig transport i den portinducerede strontiumtitanatpolære superleder

Inden for materialevidenskab, todimensionelle elektronsystemer (2DES) realiseret ved oxidoverfladen eller grænsefladen er en lovende kandidat til at opnå nye fysiske egenskaber og funktionaliteter i et hurtigt voksende kvantefelt. Mens 2-DES giver en vigtig platform for eksotiske kvantehændelser, herunder quantum Hall-effekten og supraledelse, effekten af ​​symmetribrud; overgang fra en uordenlig tilstand til en mere bestemt tilstand, på sådanne kvantefaser forbliver undvigende. Ikke-gensidig elektrisk transport eller strømretningsafhængig modstand er en sonde for brudt inversionssymmetri (tilstedeværelse af en dipol), som observeret på flere noncentrosymmetriske krystaller og grænseflader. I en ny rapport, Yuki M. Itahashi og et team af forskere inden for anvendt fysik, nanosystemer og materialevidenskab i Japan og USA rapporterede om ikke-gensidig transport på overfladen af ​​en 2-D superleder fremstillet af det superledende materiale strontium titanat (SrTiO ₃ ). Teamet observerede en gigantisk forbedring af den ikke -gensidige region i den superledende fluktuationsregion - med seks størrelsesordener større i forhold til dens normale tilstand. Resultaterne er nu offentliggjort den Videnskab fremskridt og demonstrere hidtil usete egenskaber ved den 2-D polære superleder.

Polarledere eller superledere er potentielle materialeplatforme til kvantetransport og spintroniske funktioner, med iboende ikke-gensidig transport, der afspejler den undvigende egenskab ved tidsomvendt symmetribrud (dvs. brud på bevarelse af entropi). Nylige eksperimenter har udvidet sig til den superledende tilstand til at observere en stor ikke -gensidig reaktion, og fysikere er ivrige efter at undersøge ikke -gensidigheden omkring superledende overgang i et simpelt elektronsystem. For det, Itahashi et al. konstruerede krom/guld (Cr/Au) elektroder på den atomisk flade overflade af SrTiO ₃ og anbragt ionisk væske på toppen for at danne en elektrisk dobbeltlagstransistor (EDLT) for at realisere en Rashba -superleder; baseret på Rashba -effekten, med en ion-gating teknik på SrTiO ₃ materiale overflade. Forskerne målte derefter den første og anden harmoniske elektroniske transport ved hjælp af en standard lock-in teknik til at måle ikke-gensidig ladningstransport og kvantificere tidsomvendt symmetribrud i systemet. Ikke -gensidig transport er også et effektivt redskab til at identificere Cooper -par, hvor et par elektroner overvinder deres sædvanlige frastødning for at dele en kvantetilstand for ikke -gensidig parakonduktivitet i superledere, som Itahashi et al. også beregnet til at kvantificere i Rashba -superlederen.

Forskerne detaljerede oprindeligt den første harmoniske modstand (FHR) svarende til lineær modstand nær superledende overgang for en portspænding på 5,0 V. Resultaterne viste en temperaturafhængighed ved den lave strømgrænse (I =0,05 μA). Derefter fokuserede de på anden harmonisk modstand (SHR) og krediterede ikke -gensidig ladningstransport observeret på overfladen af ​​SrTiO ₃ til den polære symmetri inden for det superledende fluktuationsområde og i normal tilstand. Holdet observerede magneto-transport i gate-induceret 2-D SrTiO ₃ inden for et magnetfelt (B) vinkelret på strømmen (I) for normale og superledende tilstande - med forbedret ikke -gensidig transport i det superledende fluktuationsområde. For at sammenligne størrelsen af ​​ikke -gensidighed mellem den normale tilstand og område med superledende svingninger, de beregnede koefficienten for ikke -gensidig magnetoresistens (γ), som var afhængig af temperaturen inden for regionerne.

Holdet målte efterfølgende afhængigheden af ​​de andet harmoniske signaler på strøm (I), i normal tilstand og i det superledende fluktuationsområde. I normal tilstand, SHR viste en næsten lineær afhængighed af strømmen. I superledningens svingningsområde ved et magnetfelt på 0,1 Tesla, SHR steg lineært, nået et maksimum på omkring 1 µA og undertrykt - for at indikere undertrykkelse af superledning ved den høje strøm.

For yderligere at undersøge den mulige oprindelse for ikke -gensidig superledende transport i systemet, forskerne målte temperaturafhængigheden af ​​FHR og SHR under overgangen. For at opnå dette, de bemærkede magnetfeltafhængighed af FHR og SHR ved forskellige temperaturer og observerede specifikt, at SHR i høj grad blev forbedret under superledende transport. Selvom Itahashi et al. anvendte et relativt stort strøm- og in-plane magnetfelt, de registrerede nulmodstandstilstand ved den laveste temperatur. Resultaterne indebar eksistensen af ​​Berenzinskii-Kosterlitz-Thouless-overgangen (BKT-overgang), opkaldt efter et team af nobelprisvindende kondenserede fysikere. Den beskriver faseovergange i 2-D-systemer i kondenseret fysik tilnærmet af en XY-model for at forstå usædvanlige faser eller tilstande af stof i superledere.

På denne måde, Yuki M. Itahashi og kolleger foreslog ikke-gensidig transport i ikke-centrosymmetriske (uden inversionssymmetri) 2-D superledere inden for et magnetisk felt. Den ikke -gensidige transport stammede fra amplitudeudsving fra den normale til den superledende tilstand. Temperaturafhængighed af koefficienten for ikke-gensidig magnetoresistens (γ), der blev observeret i eksperimenterne, stemte godt overens med det mikroskopiske teoretiske billede af fri bevægelse for termisk exciterede hvirvler og antivortices i polære 2-D superledere. Den ikke -gensidige reaktion er derfor et kraftfuldt værktøj til at forstå arten af ​​ikke -centrosymmetriske superledere.

Itahashi et al. mener, at ikke -gensidig transport kunne forekomme universelt for forskellige materialer ved grænseflade superledende systemer med polær symmetri. Resultaterne giver information om tidligere ukendte funktioner ved superledning og vigtige oplysninger om den elektroniske tilstand og parringsmekanismer i ikke -centrosymmetriske superledere - som et vigtigt emne for yderligere undersøgelse. Arbejdet fremhævede ikke-gensidig transport i grænseflade superledende systemer såsom gate-induceret 2-D superleder SrTiO ₃ . Teamet undersøgte det markante spring af ikke -gensidig transport fra de normale til superledende stater som direkte bevis for en kæmpe forbedring af ikke -gensidig transport i systemet. Resultaterne giver vigtig indsigt i polære superledere og baner en ny måde at søge efter hidtil ukendte nye egenskaber og funktionaliteter ved 2-D-oxidgrænseflader og superledere.

© 2020 Science X Network