Supraledande tillstånd upptäckt vid gränssnitt med (111) orienterade KTaO3-ytor, som har ett spännt bikakegaller. Cooper-elektronpar visas i lila. Transportmätningar tyder på att det supraledande tillståndet är anisotropt. Kredit:Anand Bhattacharya/Argonne National Laboratory.
Ny gränssnittssupraledare har nya egenskaper som väcker nya grundläggande frågor och kan vara användbar för kvantinformationsbehandling eller kvantavkänning.
Gränssnitt i fasta ämnen utgör grunden för mycket av modern teknik. Till exempel, transistorer som finns i alla våra elektroniska enheter fungerar genom att styra elektronerna vid halvledares gränssnitt. Mer allmänt, gränssnittet mellan två material kan ha unika egenskaper som skiljer sig dramatiskt från de som finns inom båda materialet separat, sätter scenen för nya upptäckter.
Som halvledare, supraledande material har många viktiga implikationer för teknik, från magneter för MRI till att snabba upp elektriska anslutningar eller kanske möjliggöra kvantteknik. De allra flesta supraledande material och enheter är 3D, ger dem egenskaper som är väl förstådda av forskare.
En av de grundläggande frågorna med supraledande material handlar om övergångstemperaturen - den extremt kalla temperaturen vid vilken ett material blir supraledande. Alla supraledande material vid regelbundna tryck blir supraledande vid temperaturer långt under den kallaste dagen ute.
Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory har upptäckt ett nytt sätt att generera 2D-supraledning vid ett materialgränssnitt vid en relativt hög men fortfarande kall övergångstemperatur. Denna gränssnittssupraledare har nya egenskaper som väcker nya grundläggande frågor och kan vara användbar för kvantinformationsbehandling eller kvantavkänning.
I studien, Argonne postdoktor Changjiang Liu och kollegor, arbetar i ett team som leds av Argonne materialforskare Anand Bhattacharya, har upptäckt att en ny 2D-supraledare bildas vid gränsytan av en oxidisolator som kallas KTaO 3 (KTO). Deras resultat publicerades online i tidskriften Science den 12 februari.
År 2004 forskare observerade ett tunt ark av ledande elektroner mellan två andra oxidisolatorer, LaAlO 3 (LAO) och SrTiO 3 (STO). Det visades senare att detta material, kallas en 2D-elektrongas (2DEG) kan till och med bli supraledande – vilket tillåter transport av elektricitet utan att försvinna energi. Viktigt, supraledningsförmågan kan slås på och av med hjälp av elektriska fält, precis som i en transistor.
Dock, för att uppnå ett sådant supraledande tillstånd, provet måste kylas ner till cirka 0,2 K – en temperatur som är nära absolut noll (-273,15 °C), kräver en specialiserad apparat som kallas utspädningskylskåp. Även med så låga övergångstemperaturer ( T C ), LAO/STO-gränssnittet har studerats mycket i samband med supraledning, spintronik och magnetism.
I den nya forskningen, teamet upptäckte att i KTO, gränssnittssupraledning kan uppstå vid mycket högre temperaturer. För att erhålla det supraledande gränssnittet, Liu, Doktorand Xi Yan och kollegor odlade tunna lager av antingen europiumoxid (EuO) eller LAO på KTO med hjälp av toppmoderna anläggningar för tillväxt av tunnfilm i Argonne.
"Detta nya oxidgränssnitt gör tillämpningen av 2D supraledande enheter mer genomförbar, " Sa Liu. "Med sin storleksordning högre övergångstemperatur på 2,2 K, detta material kommer inte att behöva ett utspädningskylskåp för att vara supraledande. Dess unika egenskaper väcker många intressanta frågor."
En märklig supraledare
Förvånande, denna nya gränsytesupraledning visar ett starkt beroende av orienteringen av den facett av kristallen där elektrongasen bildas.
Lägger till mysteriet, mätningar tyder på bildandet av randliknande supraledning i lägre dopningsprover där bäckar av supraledande regioner separeras av normala, icke-supraledande regioner. Denna typ av spontan ränder kallas också nematicitet, och finns vanligtvis i flytande kristallmaterial som används för displayer.
"Elektroniska realiseringar av nematicitet är sällsynta och av stort grundläggande intresse. Det visar sig att EuO-överskiktet är magnetiskt, och vilken roll denna magnetism spelar för att förverkliga det nematiska tillståndet i KTO är fortfarande en öppen fråga, " sa Bhattacharya.
I deras Science paper, författarna diskuterar också orsakerna till att elektrongasen bildas. Med hjälp av atomupplösningstransmissionselektronmikroskop, Jianguo Wen vid Center for Nanoscale Materials i Argonne, tillsammans med professor Jian-Min Zuos grupp vid University of Illinois i Urbana-Champaign, visade att defekter som bildas under tillväxten av överskiktet kan spela en central roll.
Särskilt, de hittade bevis för syrevakanser och ersättningsdefekter, där kaliumatomerna ersätts av europium- eller lantanjoner - som alla lägger till elektroner till gränssnittet och förvandlar det till en 2D-ledare. Använda ultraljus röntgenstrålar vid Advanced Photon Source (APS), Yan tillsammans med Argonne-forskarna Hua Zhou och Dillon Fong, undersökte gränssnitten för KTO begravd under överskiktet och observerade spektroskopiska signaturer av dessa extra elektroner nära gränssnittet.
"Gränssnittskänsliga röntgenverktyg som finns tillgängliga på APS ger oss möjlighet att avslöja den strukturella grunden för 2DEG-bildningen och det ovanliga kristallfasettberoendet av 2D-supraledning. En mer detaljerad förståelse pågår, " sa Zhou.
Utöver att beskriva mekanismen för 2DEG-bildning, dessa resultat visar vägen till att förbättra kvaliteten på gränsytelektrongasen genom att kontrollera syntesförhållandena. Eftersom supraledningsförmågan förekommer för både EuO- och LAO-oxidöverskikten som har prövats hittills, många andra möjligheter återstår att utforska.
Forskningen diskuteras i artikeln "Tvådimensionell supraledning och anisotropisk transport vid KTaO 3 (111) gränssnitt, " Vetenskap , DOI:10.1126/science.aba5511.
