Ny 2D-superleder dannes ved højere temperaturer end nogensinde før

Ny grænsefladesuperleder har nye egenskaber, der rejser nye grundlæggende spørgsmål og kan være nyttige til kvanteinformationsbehandling eller kvantesansning.

Grænseflader i faste stoffer danner grundlaget for meget af moderne teknologi. For eksempel, transistorer, der findes i alle vores elektroniske enheder, fungerer ved at styre elektronerne ved grænseflader mellem halvledere. Mere bredt, grænsefladen mellem to materialer kan have unikke egenskaber, der er dramatisk forskellige fra dem, der findes i begge materialer separat, sætter scenen for nye opdagelser.

Ligesom halvledere, superledende materialer har mange vigtige implikationer for teknologi, fra magneter til MRI til at fremskynde elektriske forbindelser eller måske muliggøre kvanteteknologi. Langt de fleste superledende materialer og enheder er 3D, giver dem egenskaber, der er godt forstået af videnskabsmænd.

Et af de grundlæggende spørgsmål med superledende materialer involverer overgangstemperaturen - den ekstremt kolde temperatur, hvor et materiale bliver superledende. Alle superledende materialer ved regelmæssigt tryk bliver superledende ved temperaturer langt under den koldeste dag udenfor.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har opdaget en ny måde at generere 2D-superledning ved en materialegrænseflade ved en relativt høj - men stadig kold - overgangstemperatur. Denne grænseflade-superleder har nye egenskaber, der rejser nye grundlæggende spørgsmål og kan være nyttige til kvanteinformationsbehandling eller kvantesansning.

I undersøgelsen, Argonne postdoc-forsker Changjiang Liu og kolleger, arbejder i et team ledet af Argonne materialeforsker Anand Bhattacharya, har opdaget, at en ny 2D-superleder dannes ved grænsefladen af ​​en oxidisolator kaldet KTaO ₃ (KTO). Deres resultater blev offentliggjort online i tidsskriftet Science den 12. februar.

I 2004 forskere observerede et tyndt ark af ledende elektroner mellem to andre oxidisolatorer, LaAlO ₃ (LAO) og SrTiO ₃ (STO). Det blev senere vist, at dette materiale, kaldet en 2D elektrongas (2DEG) kan endda blive superledende - hvilket tillader transport af elektricitet uden at sprede energi. Vigtigt, superledningsevnen kunne tændes og slukkes ved hjælp af elektriske felter, ligesom i en transistor.

Imidlertid, at opnå en sådan superledende tilstand, prøven skulle køles ned til ca. 0,2 K - en temperatur, der er tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15 °C), kræver et specialiseret apparat kendt som et fortyndingskøleskab. Selv med så lave overgangstemperaturer ( T _C ), LAO/STO-grænsefladen er blevet grundigt undersøgt i forbindelse med superledning, spintronik og magnetisme.

I den nye forskning, holdet opdagede, at i KTO, grænsefladesuperledning kan opstå ved meget højere temperaturer. For at få det superledende interface, Liu, kandidatstuderende Xi Yan og kolleger dyrkede tynde lag af enten europiumoxid (EuO) eller LAO på KTO ved hjælp af avancerede tyndfilmvækstfaciliteter i Argonne.

"Denne nye oxidgrænseflade gør anvendelsen af ​​2D-superledende enheder mere mulig, " sagde Liu. "Med sin størrelsesorden højere overgangstemperatur på 2,2 K, dette materiale behøver ikke et fortyndingskøleskab for at være superledende. Dens unikke egenskaber rejser mange interessante spørgsmål."

En mærkelig superleder

Overraskende nok, denne nye grænsefladesuperledning viser en stærk afhængighed af orienteringen af ​​den facet af krystallen, hvor elektrongassen dannes.

tilføjer til mysteriet, målinger tyder på dannelsen af ​​stribelignende superledningsevne i lavere dopingprøver, hvor bønder af superledende områder er adskilt af normal, ikke-superledende regioner. Denne form for spontan stribedannelse kaldes også nematicitet, og findes normalt i flydende krystalmaterialer, der bruges til skærme.

"Elektroniske erkendelser af nematicitet er sjældne og af stor fundamental interesse. Det viser sig, at EuO-overlaget er magnetisk, og denne magnetismes rolle i realiseringen af ​​den nematiske tilstand i KTO forbliver et åbent spørgsmål, " sagde Bhattacharya.

I deres Science paper, forfatterne diskuterer også årsagerne til, at elektrongassen dannes. Ved hjælp af atomopløsningstransmissionselektronmikroskoper, Jianguo Wen ved Center for Nanoscale Materials i Argonne, sammen med professor Jian-Min Zuos gruppe ved University of Illinois i Urbana-Champaign, viste, at defekter dannet under væksten af ​​overlaget kan spille en central rolle.

I særdeleshed, de fandt beviser for ilt ledige stillinger og substitutionsdefekter, hvor kaliumatomerne er erstattet af europium- eller lanthan-ioner - som alle tilføjer elektroner til grænsefladen og gør den til en 2D-leder. Brug af ultraklare røntgenstråler ved den avancerede fotonkilde (APS), Yan sammen med Argonne-forskerne Hua Zhou og Dillon Fong, undersøgte grænseflader af KTO begravet under overlaget og observerede spektroskopiske signaturer af disse ekstra elektroner nær grænsefladen.

"Grænsefladefølsomme røntgenværktøjssæt, der er tilgængelige på APS, giver os mulighed for at afsløre det strukturelle grundlag for 2DEG-dannelsen og den usædvanlige krystalfacetafhængighed af 2D-superledning. En mere detaljeret forståelse er i gang, " sagde Zhou.

Ud over at beskrive mekanismen for 2DEG-dannelse, disse resultater viser vejen til at forbedre kvaliteten af ​​grænsefladeelektrongassen ved at kontrollere syntesebetingelserne. Da superledningsevnen forekommer for både EuO- og LAO-oxidoverlag, der er blevet prøvet indtil videre, mange andre muligheder mangler at blive undersøgt.

Forskningen er diskuteret i papiret "Todimensionel superledning og anisotropisk transport ved KTaO ₃ (111) grænseflader, " Videnskab , DOI:10.1126/science.aba5511.