To-dimensionel superledning og anisotrop transport ved kaliumtantalat-grænseflader

Unikke elektroniske strukturer fundet ved materialegrænseflader kan tillade ukonventionelle kvantetilstande at opstå. I en ny rapport vedr Videnskab , Changjiang Liu og et forskerhold ved Argonne National Laboratory, University of Illinois og Chinese Academy of Sciences detaljerede opdagelsen af ​​superledning i elektrongasser dannet ved grænsefladerne mellem kaliumtantalat (KTaO) ₃ ) og isolerende overlag af enten Europium-II-oxid (EUO) eller lanthanaluminat (LaAlO) ₃ ). Den superledende overgangstemperatur nærmer sig 2,2 K observeret i dette arbejde var en størrelsesorden højere end tidligere systemer af lanthanaluminat/strontiumtitanat. De kritiske felt- og strømspændingsmålinger indikerede den todimensionelle (2-D) karakter af superledning. Holdet bemærkede en spontan transportanisotropi i flyet i EUO/KTaO ₃ prøver før starten af ​​superledning for at antyde fremkomsten af ​​en distinkt 'stribe'-lignende fase nær det kritiske felt.

Superledning i 2-D

Liu et al. beskrevet 2-D superledningsevne i elektrongasser dannet ved oxid-isolator/kaliumtantalatoxid-grænseflader. Superledning i to-dimensioner er et centralt tema i kondenseret stofs fysik og materialevidenskab. I 2-D overflader, elektron-elektron og elektron-gitter interaktioner, der medierer parring, kan give anledning til tilstande, der konkurrerer med superledning. Som resultat, kun en lille brøkdel af 2-D elektrongas (2-DEG) og ultratynde metalliske film er superledende. Forskere havde tidligere udført det meste af det grundlæggende arbejde inden for 2-D superledningsevne ved hjælp af amorfe tynde film for at indsamle dyb indsigt i karakteren af ​​klassiske og kvantefaseovergange. 2-D-superledningsevnen kan realiseres i krystallinske materialer og grænseflader mellem krystallinske materialer for at tillade videnskabsmænd at realisere og bryde symmetrier for at skræddersy elektroniske strukturer på måder, der hidtil var umulige i amorfe og uordnede tynde film. For eksempel, i en 2-D superleder med stærk spin-kredsløbskobling og brudt inversionssymmetri, en Rashba-interaktion kan føre til en kandidatplatform til at realisere Majorana-tilstande. Tre af de mest fremtrædende eksempler på 2-D superledere ved krystallinske grænseflader involverer overgangsmetaloxider med stærke elektron-elektron- og elektron-gitter-interaktioner for at mediere superledende parring.

Kaliumtantalat (KTaO ₃ eller KTO) er en isolator med en kubisk perovskitstruktur og en dielektrisk konstant, der overstiger 4500 ved afkøling til lave temperaturer. KTO-materialet er et 'kvanteparaelektrisk' substrat på grund af kvanteudsving ved lave temperaturer under ferroelektrisk overgang. Forskere kan bruge ionisk væskeport til at indstille KTO-overfladen til en svag superledende tilstand. For at realisere 2-D elektrongas (2-DEG) ved KTO-grænseflader, de indførte vakuumspaltning, efterfulgt af udsættelse for UV- eller synkrotronstråling. Ved at bruge vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) undersøgelser på KTO-overfladen, Liu et al. fundet en tydelig Fermi-overflade med en seksdobbelt symmetri afledt af gitterarkitekturen. De målte en overgangstemperatur så høj som 2,2 K, som de tunede ved at variere bærertætheden under prøvevækst. De bemærkede også en opstået stribefase, som brød rotationssymmetrien i KTO-overfladen.

Eksperimentet

Holdet forberedte derefter 2-D elektrongassen (2-DEG) på kaliumtantalat (KTO) ved at dyrke et lag europiumoxid (EUO) via molekylær stråleepitaksi eller lanthanaluminat (LAO) ved hjælp af pulseret laseraflejring, hvilket de bekræftede ved hjælp af røntgendiffraktionsmålinger. Brug af aberrationskorrigeret højopløsningstransmissionselektronmikroskopi og scanningtransmissionselektronmikroskopi, de opdagede ilt ledige pladser nær EUO/KTO-grænsefladen. Da de sænkede temperaturen, grænsefladen viste superledningsevne. Liu et al. dyrkede prøverne ved forskellige temperaturer og ilttryk for at opnå forskellige bærertætheder og mobiliteter. De bemærkede, at den observerede krystallografiske orienteringsafhængige grænseflade 2-D superledning ved KTO-grænsefladen var i skarp kontrast til de 2-DEG'er, der blev observeret ved strontiumtitanat (STO) grænseflader, hvor superledning fandt sted for alle retninger.

Strømspændingsadfærd og Van der Pauw-geometri

Superledningsevnen i EUO/KTO-prøven viste også en robust kritisk-strømadfærd. Da holdet hævede temperaturen tæt på overgangstemperaturen, de bemærkede en gradvis indtræden af ​​en resistiv tilstand ved lave strømme. De fortolkede udviklingen af ​​superledning i en 2-D superleder i forhold til en Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) -overgang. Derfor, strømdrevet afbinding af hvirvel-anti-hvirvelpar skabt af termiske fluktuationer ved endelige temperaturer forårsagede begyndelsen af ​​en ikke-lineær strømspænding (I-V) i den superledende tilstand. Resultaterne foreslog yderligere, at 2-D superledning var inhomogen (divers), hvor svage led sluttede sig til de superledende regioner.

Holdet bemærkede derefter udseendet af en særskilt fase nær den superledende tilstand i EUO/KTO-prøver med lav bærertæthed og udførte målinger af modstand i en van der Pauw-geometri; dvs. en simpel analytisk teknik til at bestemme elektrisk resistivitet og plademodstand. Da de sænkede temperaturen til under 2,2 K, modstanden steg med næsten 50 procent for strøm langs krystalaksen, mens den faldt med 50 procent for strøm, der flyder i en anden krystallografisk retning. Van der Pauw-metoden forstærkede transportanisotropien i 2-DEG med høj mobilitet, hvilket tyder på fremkomsten af ​​en særskilt fase, der brød rotationssymmetri på tværs af makroskopiske længdeskalaer, som varede over et bredt temperaturområde fra 2,2 K ned til omkring 0,7 K. Ved endnu lavere temperaturer, modstanden i krystallografiske retninger reduceres hurtigt til nul for at opnå en superledende tilstand.

Karakteristika for 2-D superledning

Efter at have sænket temperaturen i opsætningen, Liu et al. bemærkede øget modstand på grund af superledende vandpytter, der hæmmede transport mellem svagt koblede superledende regioner. De genoprettede global superledning ved lavere temperaturer via Josephson -kobling mellem disse regioner. Resultaterne indikerede, at den underliggende superledning var anisotrop, tillader de superledende områder at organisere sig i striber med sammenhængende justering på tværs af makroskopiske længdeskalaer. Den magnetiske feltafhængighed af arkmodstand gav yderligere beviser for en anisotrop stripe -lignende fase. Efterhånden som magnetfeltet voksede, Liu et al. observerede en kraftig stigning i modstand, der undertrykte global superledning langs begge strømretninger. På denne måde da forskerne undertrykte den globale superledning ved hjælp af temperatur eller magnetiske felter, transportmålingerne afslørede en stribefase for at producere store anisotrope transportorienteret langs lignende krystalakser i KTO- og STO (kaliumtantalat og strontiumtitanat) grænseflader. Forskerholdet foreslår at udføre yderligere eksperimenter, herunder dem, der undersøger den rumlige struktur af superledning for at forstå arten af ​​den observerede superledning og modstandsanisotropi.

© 2021 Science X Network