Den spontane fremkomst af 1D superledende striber ved en 2D grænseflade i en oxidheterostruktur

Ukonventionelle superledningstilstande er superledningstilstande, der er rodfæstet i fysiske processer, der ikke er i overensstemmelse med den konventionelle teori om superledning, nemlig Bardeen, Cooper og Schrieffer (BCS) teori. Disse tilstande er karakteriseret ved tætte vekselvirkninger mellem magnetisme og superledning.

Forskere ved University of Science and Technology of China (USTC), Tsinghua University og Fudan University har for nylig forsøgt at bedre forstå de mekanismer, der ligger til grund for ukonventionel superledning. Deres papir, udgivet i Nature Physics , afslørede den spontane fremkomst af en rumligt varierende superledende tilstand i en oxidheterostruktur, specifikt ved grænsefladen mellem KTaO₃ og ferromagnetisk EuO.

"Vores nylige papir studerede den ukonventionelle superledning ved grænsefladen mellem (110)-orienterede KTaO₃ (KTO) og ferromagnetisk EuO," sagde Ziji Xiang fra USTC, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Både KTO og EuO er isolatorer, men deres grænseflade i sådan en heterostruktur er vært for todimensionel elektrongas (2DEG), der bliver superledende ved lave temperaturer."

Den nylige undersøgelse foretaget af dette team af forskere havde to nøglemål. Den første var at afsløre nye superledende tilstande i en oxidheterostruktur med et ferromagnetisk overlag (dvs. EuO), Det andet var at udforske udviklingen af ​​grænsefladesuperledning efter målrettede eksperimentelle manipulationer, såsom ændring af bærertætheden (n_s) ) af grænsefladen.

"Vores forskning er inspireret af ideen om, at ukonventionel superledning normalt opstår i nærheden af ​​magnetisme," sagde Xiang. "Især for kobberbaserede og jernbaserede højtemperatursuperledere er mange af de foreslåede superledende parringsmekanismer tæt forbundet med magnetisme; desuden kan samspillet mellem magnetisme og superledning afføde mere ejendommelige faser af stof, herunder pair-density-wave (PDW) rækkefølge med en rumligt oscillerende superledende ordensparameter og finite-momentum-parring, som har været et intenst fokus for forskning for nylig."

EuO/KTO-heterostrukturen undersøgt af Xiang og hans kolleger udviser en stærk ferromagnetisk nærhedseffekt fremkaldt af EuO-overlaget. Denne effekt gør det til en ideel platform til at studere ukonventionel superledning.

"Den første rapport om superledningsevnen ved EuO/KTO-grænsefladen blev offentliggjort i 2021 med fokus på KTO (111)-grænsefladen," sagde Xiang. "Vi har siden arbejdet på EuO/KTO (110)-grænsefladen (i betragtning af dens forbedrede grænsefladekvalitet), hvor vi afslørede fremkomsten af ​​todimensionel superledning i et tidligere papir."

Forskerne forberedte EuO/KTO(110)-heterostrukturerne, der blev brugt i deres eksperimenter, ved hjælp af en teknik kendt som molekylærstråleepitaxi. De dyrkede specifikt EuO-film oven på (110)-orienterede KTO-enkeltkrystallinske substrater.

"Ved at kontrollere vækstbetingelserne var vi i stand til at opnå heterostrukturer med forskellig grænsefladebærertæthed n_s ," sagde Xiang. "Derefter fremstillede vi standard Hall-bar-enheder til at udføre elektriske transportmålinger. Hall-bar-enhederne er specielt designet således, at modstanden af ​​grænsefladen 2DEG kan måles samtidigt for to ortogonale retninger af påført elektrisk strøm:på KTO (110) overfladen er disse to ortogonale retninger [001] og [1-10 ]."

Ud over at udføre transporteksperimenter analyserede forskerne heterostrukturerne ved hjælp af en magnetometriteknik baseret på en scannende superledende interferensanordning (scanning SQUID), i samarbejde med laboratoriet ledet af prof. Yihua Wang ved Fudan University. Denne teknik gjorde det muligt for dem at karakterisere de magnetiske egenskaber af deres prøver.

I samarbejde med prof. Zheng Lius forskningsgruppe ved Tsinghua University udførte forskerne også en række førsteprincipberegninger for bedre at forstå deres eksperimentelle observationer. Disse beregninger var rettet mod at skitsere den elektroniske båndstruktur af grænsefladen 2DEG.

"For det første afslørede vores elektriske transport en meget usædvanlig anisotropi i planet af den superledende 2DEG ved EuO/KTO(110)-grænsefladen," sagde Xiang. "Det vil sige både overgangstemperaturen (T_c ) og det øverste kritiske felt (H_c2 , det magnetiske felt, ved hvilket superledningsevnen bryder sammen) synes at være stærkt afhængig af retningen af ​​den påførte elektriske strøm I; med I parallelt med [001], begge T_c og H_c2 er højere end tilfældet med I parallelt med [1-10]. En sådan retningsafhængig afhængighed er meget sjælden blandt superledere."

Scanning af SQUID-billeddannelse afslørede forekomsten af ​​to på hinanden følgende diamagnetiske overgange i holdets prøver. Dette tyder på, at den retningsafhængige transport, de observerede, faktisk stammer fra sub-mikrometer-sameksistensen af ​​to superledende faser.

"Baseret på vores resultater foreslår vi et scenarie, hvor den superledende fase med højere T_c er en 'stribe'-fase, hvor endimensionelle (1D) superledende bundter, der er justeret ensrettet langs [001] fremkommer," sagde Xiang.

"Kohærent superledning udvikles først inden for disse 1D-strukturer, hvilket giver anledning til den retningsafhængige T_c og H_c2 . Etableringen af ​​2D-superledning over hele grænsefladen sker kun ved en lavere temperatur."

Det andet centrale resultat er, at den ovennævnte retningsbestemte superledning kun eksisterer i heterostrukturer med lav 2DEG bærertæthed (n_s <~8´10 ¹³ cm ^-2 ). For 2DEG'er med højere n_s , T_c og H_c2 aldrig vise nogen strøm-retning afhængighed. Derfor må fremkomsten af ​​den foreslåede superledende stribefase afhænge af båndfyldning.

"Vigtigst af alt tyder både vores eksperimentelle og teoretiske undersøgelser på, at 2DEG kun er stærkt koblet til EuO-ferromagnetismen i lav-n_s prøver, hvor den retningsbestemte superledning observeres," sagde Xiang.

"På grund af denne stærke kobling viser de elektroniske bånd af 2DEG udtalt spinpolarisering. Derved konkluderer vi, at dannelsen af ​​superledende stribefase skal være tæt forbundet med en sådan forbedret ferromagnetisk nærhedseffekt."

Det seneste arbejde af Xiang og hans kolleger afslører en ukonventionel superledende tilstand induceret af nærheden med en oxidheterostruktur. Denne tilstand, der er præget af den spontane fremkomst af 1D superledende striber ved en 2D grænseflade, tjener som et eksempel på, hvordan dimensioner kan reduceres i superledende tilstande.

"Dette observerede fænomen minder os om dimensionsreduktionen rapporteret i kobberoxid højtemperatursuperleder La_2-x Ba_x CuO₄ (x =1/8), hvor 2D superledende tilstande udvikler sig i et tredimensionelt system på grund af samspillet mellem superledning og ladnings-/spin-ordrer," sagde Xiang.

"Disse 2D-superledende tilstande er blevet foreslået at være PDW-tilstande. Så hvad er karakteren af ​​de nye superledende striber i vores heterostrukturer? Er de også manifestationer af en PDW-orden eller forbundet med nogle endnu mere eksotiske superledende faser?"

I deres næste undersøgelser vil forskerne forsøge at besvare disse vigtige spørgsmål. Deres resultater bekræfter indtil videre, at kobling med magnetisme spiller en afgørende rolle i realiseringen af ​​ukonventionel superledning.

I fremtiden planlægger Xiang og hans kolleger at undersøge den superledende stribefase, de observerede yderligere, for at finde ud af mere om dens underliggende superledende parring. Dette kunne give dem mulighed for bedre at forstå, hvordan denne eksotiske superledende tilstand kan opstå fra elektroniske bånd med en stærk spin-polarisering.

"Desværre forhindrer tilstedeværelsen af ​​EuO-overlag anvendelsen af ​​de fleste spektroskopiske prober til en direkte undersøgelse af grænsefladen," tilføjede Xiang. "Vi har arbejdet på udviklingen af ​​en teknik, der måler superfluiddensiteten ved grænsefladen. Ved at spore udviklingen af ​​superfluiddensiteten med varierende temperatur kan vi få værdifuld information om de primære termodynamiske egenskaber af den superledende stribefase, som kunne være et afgørende skridt mod en dybere forståelse af den nye fysik, der er involveret."

Flere oplysninger: Xiangyu Hua et al., Superledende striber induceret af ferromagnetisk nærhed i en oxidheterostruktur, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02443-x

Journaloplysninger: Naturfysik

© 2024 Science X Network