Okonventionella supraledande tillstånd är tillstånd av supraledning rotade i fysiska processer som inte överensstämmer med den konventionella teorin om supraledning, nämligen Bardeen, Cooper och Schrieffer (BCS) teori. Dessa tillstånd kännetecknas av nära växelverkan mellan magnetism och supraledning.
Forskare vid University of Science and Technology of China (USTC), Tsinghua University och Fudan University har nyligen försökt att bättre förstå mekanismerna bakom okonventionell supraledning. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , avslöjade den spontana uppkomsten av ett rumsligt varierande supraledande tillstånd i en oxidheterostruktur, specifikt vid gränssnittet mellan KTaO3 och ferromagnetisk EuO.
"Vår senaste artikel studerade den okonventionella supraledningsförmågan vid gränssnittet mellan (110)-orienterade KTaO3 (KTO) och ferromagnetisk EuO," sade Ziji Xiang från USTC, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Både KTO och EuO är isolatorer, men deras gränssnitt i en sådan heterostruktur är värd för tvådimensionell elektrongas (2DEG) som blir supraledande vid låga temperaturer."
Den nyligen genomförda studien av detta team av forskare hade två huvudmål. Den första var att avslöja nya supraledande tillstånd i en oxidheterostruktur med ett ferromagnetiskt överskikt (dvs EuO), det andra var att utforska utvecklingen av gränssnittssupraledning efter riktade experimentella manipulationer, såsom att ändra bärardensiteten (ns) ) i gränssnittet.
"Vår forskning är inspirerad av tanken att okonventionell supraledning vanligtvis uppstår i närheten av magnetism," sa Xiang. "Särskilt för kopparbaserade och järnbaserade högtemperatursupraledare är många av de föreslagna supraledande parningsmekanismerna nära kopplade till magnetism; dessutom kan samspelet mellan magnetism och supraledning ge upphov till mer säregna faser av materia, inklusive PDW-ordning (pair-density-wave) med en spatialt oscillerande supraledande ordningsparameter och ändlig momentumparning som har varit ett intensivt fokus för forskning nyligen."
EuO/KTO-heterostrukturen som undersökts av Xiang och hans kollegor uppvisar en stark ferromagnetisk närhetseffekt som framkallas av EuO-överskiktet. Denna effekt gör det till en idealisk plattform för att studera okonventionell supraledning.
"Den första rapporten om supraledning vid EuO/KTO-gränssnittet publicerades 2021, med fokus på KTO (111)-gränssnittet", sa Xiang. "Vi har sedan dess arbetat med EuO/KTO (110)-gränssnittet (med tanke på dess förbättrade gränssnittskvalitet), där vi avslöjade uppkomsten av tvådimensionell supraledning i en tidigare artikel."
Forskarna förberedde EuO/KTO(110) heterostrukturerna som användes i deras experiment med hjälp av en teknik som kallas molekylär strålepitaxi. De odlade specifikt EuO-filmer ovanpå (110)-orienterade KTO-enkristallina substrat.
"Genom att kontrollera tillväxtförhållandena kunde vi erhålla heterostrukturer med olika gränssnittsbärartäthet ns ", sade Xiang. "Vi tillverkade sedan standard Hall-bar-enheter för att utföra elektriska transportmätningar. Hall-bar-anordningarna var speciellt utformade så att motståndet hos gränssnittet 2DEG kan mätas samtidigt för två ortogonala riktningar av pålagd elektrisk ström:på KTO (110)-ytan är dessa två ortogonala riktningar [001] och [1-10 ]."
Förutom att utföra transportexperiment, analyserade forskarna heterostrukturerna med hjälp av en magnetometriteknik baserad på en scanning supraledande interferensenhet (scanning SQUID), i samarbete med labbet ledd av prof. Yihua Wang vid Fudan University. Denna teknik gjorde det möjligt för dem att karakterisera de magnetiska egenskaperna hos sina prover.
I samarbete med professor Zheng Lius forskargrupp vid Tsinghua University utförde forskarna också en serie beräkningar av första principer, för att bättre förstå deras experimentella observationer. Dessa beräkningar syftade till att beskriva den elektroniska bandstrukturen för gränssnittet 2DEG.
"För det första avslöjade vår elektriska transport en mycket ovanlig anisotropi i planet av den supraledande 2DEG vid EuO/KTO(110)-gränssnittet," sa Xiang. "Det vill säga både övergångstemperaturen (Tc ) och det övre kritiska fältet (Hc2 , magnetfältet vid vilket supraledningsförmågan bryts ned) verkar vara starkt beroende av riktningen för den pålagda elektriska strömmen I; med I parallellt med [001], båda Tc och Hc2 är högre än fallet med I parallellt med [1-10]. Sådant riktningsberoende är mycket sällsynt bland supraledare."
Skanning av SQUID-avbildning avslöjade förekomsten av två på varandra följande diamagnetiska övergångar i teamets prover. Detta tyder på att det riktningsberoende i transport de observerade verkligen härrör från submikrometerns samexistens av två supraledande faser.
"Baserat på våra resultat föreslår vi ett scenario där den supraledande fasen med högre Tc är en "stripe"-fas där endimensionella (1D) supraledande buntar som är inriktade ensriktat längs [001] framträder," sa Xiang.
"Koherent supraledning utvecklas först inom dessa 1D-strukturer, vilket ger upphov till den riktningsberoende Tc och Hc2 . Etableringen av 2D supraledning över hela gränssnittet sker endast vid en lägre temperatur."
Det andra centrala resultatet är att den ovan nämnda riktade supraledningsförmågan endast existerar i heterostrukturer med låg 2DEG-bärartäthet (ns <~8´10 13 cm -2 ). För 2DEG med högre ns , Tc och Hc2 visa aldrig något strömriktningsberoende. Därför måste uppkomsten av den föreslagna supraledande remsfasen bero på bandfyllning.
"Det viktigaste är att både våra experimentella och teoretiska undersökningar tyder på att 2DEG är starkt kopplad till EuO-ferromagnetismen endast i låg-ns prover där den riktade supraledningsförmågan observeras," sa Xiang.
"På grund av denna starka koppling visar de elektroniska banden på 2DEG en uttalad spinnpolarisering. Därmed drar vi slutsatsen att bildandet av supraledande bandfas måste vara nära relaterat till en sådan förbättrad ferromagnetisk närhetseffekt."
Det senaste arbetet av Xiang och hans kollegor avslöjar ett okonventionellt supraledande tillstånd inducerat av närheten med en oxidheterostruktur. Detta tillstånd, markerat av den spontana uppkomsten av 1D supraledande ränder vid ett 2D-gränssnitt, fungerar som ett exempel på hur dimensioner kan reduceras i supraledande tillstånd.
"Detta observerade fenomen påminner oss om dimensionsminskningen som rapporterats i kopparoxid högtemperatursupraledare La2-x Bax CuO4 (x =1/8), där 2D supraledande tillstånd utvecklas i ett tredimensionellt system på grund av samspelet mellan supraledning och laddnings-/snurrorder," sa Xiang.
"Dessa 2D supraledande tillstånd har föreslagits vara PDW-tillstånd. Så, vad är karaktären hos de framväxande supraledande ränderna i våra heterostrukturer? Är de också manifestationer av en PDW-ordning eller förknippade med några ännu mer exotiska supraledande faser?"
I sina nästa studier ska forskarna försöka svara på dessa viktiga frågor. Deras resultat hittills bekräftar att koppling med magnetism spelar en avgörande roll i förverkligandet av okonventionell supraledning.
I framtiden planerar Xiang och hans kollegor att undersöka den supraledande randfasen de observerade ytterligare, för att ta reda på mer om dess underliggande supraledande parning. Detta kan ge dem möjlighet att bättre förstå hur detta exotiska supraledande tillstånd kan uppstå från elektroniska band med en stark spinnpolarisering.
"Tyvärr förhindrar närvaron av EuO-överskikt tillämpningen av de flesta spektroskopiska sonder för en direkt studie av gränssnittet," tillade Xiang. "Vi har arbetat med utvecklingen av en teknik som mäter superfluiddensiteten vid gränssnittet. Genom att följa utvecklingen av superfluiddensiteten med varierande temperatur kan vi få värdefull information om de primära termodynamiska egenskaperna hos den supraledande bandfasen, vilket skulle kunna vara ett avgörande steg mot en djupare förståelse av den inblandade nya fysiken."
Mer information: Xiangyu Hua et al, Superledande ränder inducerade av ferromagnetisk närhet i en oxidheterostruktur, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02443-x
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
