Enhetsbild och gate-inducerad supraledning i SrTiO3. (A) Schematisk bild av SrTiO3-EDLT. (B) Längsgående första övertonsresistans Rωxx som funktion av temperatur T under noll magnetfält. Den applicerade strömmen var 0,05 μA, som kan betraktas som lågströmsgräns. Övergångstemperatur definierad av mittpunkten av den resistiva övergången uppskattas som Tc0 =0,31 K (svart pil). Svart streckad linje visar anpassningskurvan enligt Halperin-Nelson-formeln, där RN =128 ohm är normalresistansen (T =1,0 K), b =1,17 är en dimensionslös konstant, och TBKT =0,18 K är BKT-övergångstemperatur (vit triangel). Den applicerade grindspänningen VG är 5,0 V vid T =260 K. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120
Inom materialvetenskap, tvådimensionella elektronsystem (2DES) realiserade vid oxidytan eller gränsytan är en lovande kandidat för att uppnå nya fysikaliska egenskaper och funktionaliteter i ett snabbt framväxande kvantfält. Medan 2-DES tillhandahåller en viktig plattform för exotiska kvanthändelser inklusive kvanthalleffekten och supraledning, effekten av symmetribrott; övergång från ett oordnat tillstånd till ett mer bestämt tillstånd, på sådana kvantfaser förblir svårfångade. Icke-reciprok elektrisk transport eller strömriktningsberoende resistans är en sond för bruten inversionssymmetri (närvaro av en dipol), som observerats på flera icke-centrosymmetriska kristaller och gränssnitt. I en ny rapport, Yuki M. Itahashi och ett team av forskare inom tillämpad fysik, nanosystem och materialvetenskap i Japan och USA rapporterade icke-ömsesidig transport vid ytan av en 2D-supraledare gjord av det supraledande materialet strontiumtitanat (SrTiO) 3 ). Teamet observerade en gigantisk förbättring av den icke-reciproka regionen i den supraledande fluktuationsregionen - vid sex storleksordningar större jämfört med dess normala tillstånd. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg och demonstrera oöverträffade egenskaper hos den 2-D polära supraledaren.
Polära ledare eller supraledare är potentiella materialplattformar för kvanttransport och spintroniska funktioner, med inneboende icke-reciprok transport som återspeglar den svårfångade egenskapen hos tidsomkastande symmetribrytning (d.v.s. att bryta bevarande av entropi). Nyligen genomförda experiment har sträckt sig till det supraledande tillståndet för att observera ett stort icke-reciprokt svar och fysiker är angelägna om att undersöka icke-reciprociteten kring supraledande övergång i ett enkelt elektronsystem. För detta, Itahashi et al. konstruerade krom/guld (Cr/Au) elektroder på den atomiskt plana ytan av SrTiO 3 och placerade jonisk vätska på toppen för att bilda en elektrisk dubbelskiktstransistor (EDLT) för att realisera en Rashba-supraledare; baserat på Rashba-effekten, med en jonstyrningsteknik på SrTiO 3 materialytan. Forskarna mätte sedan den första och andra harmoniska elektroniska transporten med hjälp av en standardinlåsningsteknik för att mäta icke-reciprok laddningstransport och kvantifiera tidsomkastningssymmetribrott i systemet. Icke-ömsesidig transport är också ett effektivt verktyg för att identifiera Cooper-par, där ett elektronpar övervinner sin vanliga repulsion för att dela ett kvanttillstånd för icke-reciprok parakonduktivitet i supraledare, vilket Itahashi et al. också avsedd att kvantifiera i Rashba supraledaren.
Magnetotransport av gate-inducerad 2D SrTiO3 för både de normala och supraledande tillstånden och förbättring av den icke-reciproka transporten i den supraledande fluktuationsregionen. (A) Första och (B) andra övertonsmagnetoresistans (Rωxx och R2ωxx, respektive) över Tc0 (normalt tillstånd, T =0,47 K och I =20 μA) som en funktion av magnetfältet B i planet B vinkelrätt (rött) eller parallellt (blått) mot I. Infällningar i (A) och (B) visar den förstorade vyn av Rωxx(B) och scheman för mätkonfigurationen (riktningarna B och I), respektive. (C) Rωxx och (D) R2ωxx under Tc0 (supraledande fluktuationsområde, T =0,22 K och I =1 μA) som en funktion av i planet B vinkelrät (röd) eller parallell (blå) mot I. I (A) till (D), Rωxx normaliseras av normalresistansen RN =128 ohm, och Rωxx/R2ωxx är symmetriserad/anti-symmetriserad som en funktion av B. (E) Temperaturberoende av γ=2R2ωxxRωxxBI i normalt tillstånd (I =20 μA) och supraledande fluktuationsregion (I =0,9 μA). Lila (normalt tillstånd) och orange (supraledande fluktuationsregion) cirklar extraherades från mätningen av magnetfältsskanning av R2ωxx vid låg B under 0,1 T, medan lila (normalt tillstånd) och orange (supraledande fluktuationsområde) prickar plottades från temperaturskanningen av R2ωxx under B =3 och 0,05 T, respektive. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120
Forskarna specificerade initialt det första harmoniska motståndet (FHR) motsvarande linjärt motstånd nära supraledande övergång för en grindspänning på 5,0 V. Resultaten visade ett temperaturberoende vid den låga strömgränsen (I =0,05 μA). Sedan fokuserade de på andra övertonsmotstånd (SHR) och krediterade icke-reciprok laddningstransport observerad vid ytan av SrTiO 3 till den polära symmetrin inom det supraledande fluktuationsområdet och i det normala tillståndet. Teamet observerade magnetotransport i gate-inducerad 2-D SrTiO 3 inom ett magnetfält (B) vinkelrätt mot strömmen (I) för normala och supraledande tillstånd - med förbättrad icke-reciprok transport i det supraledande fluktuationsområdet. För att jämföra storleken på icke-reciprocitet mellan det normala tillståndet och regionen av supraledningsfluktuationer, de beräknade koefficienten för icke-reciprok magnetoresistans (γ), vilket berodde på temperaturen inom regionerna.
Teamet mätte därefter de andra övertonssignalernas beroende av ström (I), i det normala tillståndet och i det supraledande fluktuationsområdet. I normalt tillstånd, SHR visade ett nästan linjärt beroende av strömmen. I supraledningsfluktuationsområdet vid ett magnetfält på 0,1 Tesla, SHR ökade linjärt, nått ett maximum vid cirka 1 µA och undertryckt – för att indikera undertryckning av supraledning av den höga strömmen.
Strömberoende för den andra övertonens magnetoresistans i det normala och det supraledande fluktuationsområdet. (A) Andra övertonens magnetoresistans R2ωxx vid T =0,85 K under I =3 μA (röd), 5 μA (orange), 10 μA (grön), 15 μA (blå), och 20 μA (lila). R2ωxx är antisymmetriserad som en funktion av B. (B) ∣∣R2ωxx∣∣ vid B =3 T som en funktion av I, som utvinns från (A). Svart heldragen linje visar linjär anpassning som en funktion av I. (C) Magnetfältets beroende av ∣∣R2ωxx∣∣ vid T =0,22 K under I =0,05 μA (röd), 0,6 μA (orange), 1,2 μA (grön), och 1,8 μA (blå). Varje kurva förskjuts vertikalt med 0,5 ohm och antisymmetriserad som en funktion av B. (D) Strömberoende av ∣∣R2ωxx∣∣ vid B =0,1 T, där R2ωxx betraktas som en linjär funktion av B. I lågströmsregion (I ≤ 1 μA), ∣∣R2ωxx∣∣ ökar linjärt (svart heldragen linje) med I. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120
För att ytterligare undersöka det möjliga ursprunget för icke-reciprok supraledande transport i systemet, forskarna mätte temperaturberoendet av FHR och SHR under övergången. För att åstadkomma detta, de noterade magnetfältets beroende av FHR och SHR vid olika temperaturer och observerade specifikt att SHR till stor del förbättrades under supraledande transport. Även om Itahashi et al. applicerade en relativt stor ström och magnetfält i planet, de registrerade noll-resistanstillstånd vid den lägsta temperaturen. Resultaten antydde förekomsten av övergången Berenzinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT-övergången), uppkallad efter ett team av Nobelprisbelönta fysiker för kondenserad materia. Den beskriver fasövergångar i 2-D-system i den kondenserade materiens fysik approximerade med en XY-modell för att förstå ovanliga faser eller tillstånd av materia i supraledare.
Temperaturberoende av magnetoresistansen och den icke-reciproka transporten. Magnetfältsberoende av (A) den första (Rωxx) och (B) den andra (R2ωxx) harmoniska magnetoresistansen vid T =0,16 K (röd), 0,19 K (orange), 0,22 K (grön), 0,26 K (blå), 0,29 K (lila), 0,33 K (svart), och 0,37 K (rosa), respektive. I B), varje kurva förskjuts vertikalt med 0,5 ohm. Rωxx/R2ωxx är symmetriserad/antisymmetriserad som en funktion av B. Temperaturvariation av (C) Rωxx och (D) γ under B =0,05 T och I =0,9 μA. I denna region, R2ωxx är linjär som en funktion av B och I. Rωxx/γ är symmetriserad/antisymmetriserad som funktion av B. Karakteristisk struktur (böjstruktur runt T =0,24 K och toppstruktur runt T =0,17 K) visas i (D), enligt vilken vi kan identifiera två regioner av den icke-ömsesidiga transporten av olika ursprung, dvs. parakonduktivitetsregion och virvelregion. Vid den lägsta temperaturen, noll-resistanstillstånd observeras, där Rωxx och γ blir försumbart små. Förstoring av y i (E) parakonduktivitetsregion och (F) virvelregion. Svart streckad linje i (E) visar anpassningskurvan med γ(T)=γs(1−R(T)RN)2, och svart streckad linje i (F) indikerar anpassningskurvan med γ(T)=C(T−TeffBKT)−3/2. Normaltillståndsresistans RN =128 ohm definieras som Rωxx vid T =1,0 K. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120
På det här sättet, Yuki M. Itahashi och kollegor föreslog icke-reciprok transport i icke-centrosymmetriska (utan inversionssymmetri) 2-D supraledare inom ett magnetfält. Den icke-reciproka transporten härrörde från amplitudfluktuationer från det normala till det supraledande tillståndet. Temperaturberoende för koefficienten för icke-reciprok magnetoresistans (γ) som observerades i experimenten stämde väl överens med den mikroskopiska teoretiska bilden av fri rörelse för termiskt exciterade virvlar och antivirvlar i polära 2-D supraledare. Det icke-reciproka svaret är därför ett kraftfullt verktyg för att förstå naturen hos icke-centrosymmetriska supraledare.
Itahashi et al. tror att icke-reciprok transport kan uppträda universellt för olika material vid gränssnittssupraledande system med polär symmetri. Resultaten ger information om tidigare okända funktioner för supraledning och viktig information om det elektroniska tillståndet och parningsmekanismer i icke-centrosymmetriska supraledare - som ett viktigt ämne för vidare undersökning. Arbetet lyfte fram icke-ömsesidig transport i gränssnittssupraledande system som gate-inducerad 2-D supraledare SrTiO 3 . Teamet undersökte det markanta hoppet av icke-ömsesidig transport från de normala till supraledande tillstånden som ett direkt bevis för en enorm förbättring av icke-ömsesidig transport i systemet. Resultaten ger viktig insikt i polära supraledare och banar ett nytt sätt att söka efter hittills okända framväxande egenskaper och funktionaliteter vid 2D-oxidgränssnitt och supraledare.
© 2020 Science X Network
