Unika elektroniska strukturer som finns vid materialgränssnitt kan tillåta okonventionella kvanttillstånd att växa fram. I en ny rapport om Vetenskap , Changjiang Liu och ett forskargrupp vid Argonne National Laboratory, University of Illinois och den kinesiska vetenskapsakademin redogjorde för upptäckten av supraledning i elektrongaser som bildas vid gränssnittet mellan kaliumtantalat (KTaO ₃ ) och isolerande överlägg av antingen Europium-II-oxid (EUO) eller lantanaluminat (LaAlO ₃ ). Den supraledande övergångstemperaturen som närmar sig 2,2 K som observerats i detta arbete var en storleksordning högre än tidigare system av lantanaluminat/strontiumtitanat. De kritiska fält- och strömspänningsmätningarna indikerade den tvådimensionella (2-D) karaktären hos supraledning. Teamet noterade en spontan anisotropi i planet i EUO/ KTaO ₃ prover före starten av supraledning för att föreslå uppkomsten av en distinkt "rand" -liknande fas nära det kritiska fältet.

Superledning i 2-D

Liu et al. beskrivit 2-D supraledningsförmåga i elektrongaser bildade vid gränssnitt mellan oxid-isolator/kaliumtantalatoxid. Superledning i två dimensioner är ett centralt tema i kondenserad fysik och materialvetenskap. I 2-D ytor, interaktionerna elektron-elektron och elektron-gitter som förmedlar parning kan ge upphov till tillstånd som konkurrerar med supraledning. Som ett resultat, endast en liten bråkdel av 2-D elektrongas (2-DEG) och ultratunna metalliska filmer är supraledande. Forskare hade tidigare genomfört det mesta av det grundläggande arbetet med tvådelad supraledning med hjälp av amorfa tunna filmer för att samla djupa insikter om naturen hos klassiska och kvantfasövergångar. 2-D supraledningsförmågan kan realiseras i kristallina material och gränssnitt mellan kristallina material så att forskare kan inse och bryta symmetrier för att skräddarsy elektroniska strukturer på sätt som hittills varit omöjliga i amorfa och störda tunna filmer. Till exempel, i en 2-D supraledare med stark spin-orbit-koppling och bruten inversionssymmetri, en Rashba -interaktion kan leda till en kandidatplattform för att förverkliga Majorana -lägen. Tre av de mest framträdande exemplen på 2-D-superledare vid kristallina gränssnitt involverar övergångsmetalloxider med starka elektron-elektron- och elektron-gitter-interaktioner för att förmedla superledande parning.

Kaliumtantalat (KTaO ₃ eller KTO) är en isolator med en kubisk perovskitstruktur och en dielektrisk konstant som överstiger 4500 vid kylning till låga temperaturer. KTO -materialet är ett "kvantparaelektriskt" substrat på grund av kvantfluktuationer vid låga temperaturer under ferroelektrisk övergång. Forskare kan använda jonisk flytande gating för att ställa in KTO -ytan till ett svagt supraledande tillstånd. För att realisera 2-D elektrongas (2-DEG) vid KTO-gränssnitten, de införde vakuumklyvning, följt av exponering för UV- eller synkrotronstrålning. Med hjälp av vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) -studier på KTO-ytan, Liu et al. hittade en distinkt Fermi-yta med en sexfaldig symmetri härledd från gitterarkitekturen. De mätte en övergångstemperatur så hög som 2,2 K, som de ställde in genom att variera bärartätheten under provtillväxt. De noterade också en framväxande randfas som bröt rotationssymmetrin i KTO-ytan.

Experimentet

Teamet förberedde därefter 2-D elektrongasen (2-DEG) på kaliumtantalat (KTO) genom att odla ett lager av europiumoxid (EUO) via molekylär stråleepitaxi eller lantanaluminat (LAO) med pulserande laseravsättning, vilket de bekräftade med hjälp av röntgendiffraktionsmätningar. Med hjälp av aberrationskorrigerad högupplöst transmissionselektronmikroskopi och skanning av transmissionselektronmikroskopi, de upptäckte syrevakanser nära EUO/KTO -gränssnittet. När de sänkte temperaturen, gränssnittet visade supraledning. Liu et al. odlade proverna vid olika temperaturer och syretryck för att erhålla olika bärartätheter och rörlighet. De noterade att den observerade kristallografiska orienteringsberoende gränssnitt 2-D supraledningen vid KTO-gränssnittet stod i skarp kontrast med 2-DEG observerade vid strontiumtitanat (STO) gränssnitt, där supraledning uppstod för alla riktningar.

Strömspänningsbeteende och Van der Pauw-geometri

Superledningen i EUO/KTO-urvalet visade också ett robust beteende för kritisk ström. När laget höjde temperaturen nära övergångstemperaturen, de noterade en gradvis början av ett resistivt tillstånd vid låga strömmar. De tolkade utvecklingen av supraledning i en 2-D superledare i förhållande till en Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) övergång. Följaktligen, strömdriven avbindning av virvel-antivirvelpar som skapas av termiska fluktuationer vid ändliga temperaturer orsakade uppkomsten av en icke-linjär strömspänning (I-V) i supraledande tillstånd. Resultaten föreslog vidare att 2-D supraledning skulle vara inhomogen (mångsidig), där svaga länkar gick med i de superledande regionerna.

Teamet noterade sedan uppkomsten av en distinkt fas nära supraledande tillstånd i låga bärartäthet EUO/KTO -prover och utförde mätningar av motstånd i en van der Pauw -geometri; d.v.s. en enkel analytisk teknik för att bestämma elektrisk resistivitet och arkmotstånd. När de sänkte temperaturen under 2,2 K, motståndet ökade med nästan 50 procent för ström längs kristallaxeln, medan den minskade med 50 procent för ström som flödar i en annan kristallografisk riktning. Van der Pauw-metoden förstärkte transportanisotropin i 2-graders högmobilitet, vilket tyder på framväxten av en distinkt fas som bröt rotationssymmetri över makroskopiska längdskalor, som varade över ett brett temperaturintervall från 2,2 K ner till cirka 0,7 K. Vid ännu lägre temperaturer, motståndet i kristallografiska riktningar minskade snabbt till noll för att erhålla ett supraledande tillstånd.

Egenskaper för 2-D supraledning

Efter att temperaturen har sänkts i installationen, Liu et al. noterade ökat motstånd på grund av supraledande pölar som hämmade transport mellan svagt kopplade superledande regioner. De återställde global supraledning vid lägre temperaturer via Josephson -koppling mellan dessa regioner. Resultaten indikerade att den underliggande supraledningen var anisotrop, så att de superledande regionerna kan organisera sig i ränder med koherent inriktning över makroskopiska längdskalor. Magnetfältberoendet för arkmotstånd gav ytterligare bevis för en anisotrop randig fas. När magnetfältet ökade, Liu et al. observerade en kraftig ökning av motståndet som undertryckte global supraledning längs båda strömriktningarna. På det här sättet, som forskarna undertryckte den globala supraledningen med hjälp av temperatur eller magnetfält, transportmätningarna avslöjade en randfas för att producera stora anisotropa transporter orienterade längs liknande kristallaxlar i KTO- och STO -gränssnitt (kaliumtantalat och strontiumtitanat). Forskargruppen föreslår att genomföra ytterligare experiment, inklusive de som undersöker superledningens rumsliga struktur för att förstå arten av den observerade supralednings- och motståndsanisotropin.

© 2021 Science X Network