Ciencia: Superconductividad de la interfaz de óxido anisotrópico
Recientemente, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Argonne informó sobre un nuevo sistema superconductor bidimensional con una interfaz de óxido. El investigador postdoctoral Liu Changjiang descubrió que el gas de electrones bidimensional formado en la superficie del óxido monocristalino KTaO3 (KTO) se vuelve superconductor cerca de 2,2 K. La temperatura crítica superconductora es 10 veces mayor que la del sistema de interfaz basado en titanato de estroncio (STO). ). Este rango de temperatura se puede lograr sin diluir el equipo de refrigeración, lo que proporciona una gran comodidad para futuras investigaciones experimentales y el desarrollo de dispositivos electrónicos superconductores bidimensionales. Al mismo tiempo, se observó experimentalmente que la superconductividad de la interfaz KTO tiene algunas propiedades inusuales y extrañas, lo que proporciona una nueva plataforma para el estudio de mecanismos superconductores bidimensionales. 2021, 65438+10, 21, el trabajo de investigación se publicó por primera vez en la revista en línea "Science", titulado "Superconductividad bidimensional y transporte animal en la interfaz ktao 3 (11)".
Figura 1. Se observó superconductividad en la muestra de EuO/KTO (111).
Los dos sistemas clásicos de perovskita, KTO y STO, tienen muchas similitudes. Todos son aislantes de banda prohibida y la constante dieléctrica aumenta mucho a medida que disminuye la temperatura. Ta es un elemento del grupo 5d en KTO y tiene un gran acoplamiento espín-órbita (un orden de magnitud mayor que STO), por lo que hay una mayor división de espín en la banda de energía de KTO. La Figura 1 muestra la transición superconductora medida en la interfaz KTO en el experimento. Las cuatro muestras de EuO/KTO tienen diferentes concentraciones de portador y las correspondientes temperaturas críticas superconductoras.
La Figura 2 muestra que también se observó superconductividad en la superficie de LAO/KTO (111).
Se descubrió que la formación del estado superconductor no tiene nada que ver con el tipo de película de óxido que crece en la superficie de KTO. En este estudio, se utilizaron recubrimientos de óxido de EuO y LaAlO3 (LAO) para generar gas de electrones bidimensional. Se descubrió que la transición de fase superconductora también puede ocurrir en un gas de electrones bidimensional utilizando la capa de óxido LAO (Figura 2). Este resultado aporta una gran comodidad a la investigación experimental. Los investigadores pueden elegir materiales de recubrimiento apropiados según el equipo de crecimiento de la película.
Figura 3, diagrama esquemático de la superconductividad bidimensional
Los investigadores confirmaron KTO midiendo los campos magnéticos críticos dentro y fuera del plano del estado superconductor y el BKT. transición de fase bajo corriente crítica El estado superconductor en la interfaz es completamente bidimensional. La Figura 3 muestra una imagen de superconductividad bidimensional. El espesor del estado superconductor obtenido por una muestra en el experimento es de aproximadamente 5 nm, que es menor que su longitud de coherencia superconductora de 13 nm.
Figura 4. Caracterización de la estructura atómica cerca de la interfaz EuO/KTO
Estudios adicionales han demostrado que la superconductividad de la interfaz KTO tiene algunas características inusuales. Primero, la formación del estado superconductor depende en gran medida de la orientación cristalográfica de la superficie KTO. Se descubrió que el gas de electrones en la superficie (111) de KTO puede sufrir una transición de fase superconductora, pero cuando el gas de electrones bidimensional se prepara en la superficie (001), (la concentración de portador es básicamente la misma que la de la superficie (001) (111) superficie). Este fenómeno cristalográfico dependiente de la orientación es muy diferente del del sistema Law/STO. En el sistema Law/STO, la aparición de superconductividad interfacial es independiente de la orientación del plano cristalino de STO. Los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) (Figura 4) y espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) para caracterizar la estructura y composición química de diferentes interfaces KTO. Los resultados muestran que se forman vacantes de oxígeno en varias capas atómicas en la interfaz KTO, y algunos elementos Eu o La aparecen en las posiciones atómicas K. Estos procesos de dopaje promueven la formación de electrones de crucero en la interfaz. Al comparar las muestras orientadas (111) y (001), los investigadores encontraron que los elementos de su interfaz eran similares. Por tanto, la aparición de la superconductividad tiene poco que ver con los elementos químicos de la interfaz.
Estructuralmente, los átomos de Ta en la superficie de KTO (111) están dispuestos en forma de panal hexagonal, similar al grafeno.
El gas de electrones en la superficie de KTO(111) tiene una superficie de Fermi única con seis simetrías, que fue descubierta por ARPES. Quizás la superconductividad encontrada en la superficie de KTO (111) esté relacionada con esta estructura especial de bandas electrónicas. Por ejemplo, la superconductividad descubierta en el grafeno de doble capa angular en 2018 está estrechamente relacionada con la estructura de bandas de energía en el ángulo mágico. En la actualidad, el mecanismo de superconductividad de la interfaz KTO requiere más investigación y demostración teóricas.
Figura 5, Ruptura espontánea de la simetría del transporte en el avión
Otro fenómeno extraño es la ruptura espontánea de la simetría en el plano de las propiedades de transporte de la muestra EuO/KTO(111). falta. Este fenómeno es particularmente evidente en muestras con concentraciones de portador más bajas. La Figura 5 muestra que la resistencia a lo largo de las direcciones en el plano [1 -1 0] y [1 1 -2] es muy diferente cuando la temperatura disminuye desde una temperatura alta hasta aproximadamente 2,2 K. Específicamente, la resistencia medida por el flujo de corriente a lo largo de la dirección del cristal [1 -1 0] (datos rojos) aumenta repentinamente, mientras que la resistencia a lo largo de la dirección [1 1 -2] disminuye espontáneamente. Dentro de un rango de temperatura (fondo verde), el sistema es altamente anisotrópico. Desde un punto de vista fenomenológico, este fenómeno puede entenderse como una estructura de modulación de fase en franjas formada espontáneamente por estados electrónicos en la superficie (111). La resistencia de las rayas paralelas y las rayas verticales es muy diferente. A medida que la temperatura continúa disminuyendo, la resistencia a lo largo de ambas direcciones cristalográficas eventualmente cae a cero, entrando en un estado completamente superconductor.
Figura 6, diagrama esquemático de la superconductividad anisotrópica
Se descubre que la fase de franja eventualmente se suprimirá a medida que aumenta el campo magnético externo, lo que resulta en un estado normal isotrópico. En la actualidad, el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría en este plano no está claro. La Figura 6 muestra una posible imagen física. La intensidad de coherencia superconductora en la superficie KTO (111) puede ser anisotrópica. A lo largo del lado del sillón ([1 1 -2]) (dirección vertical en el diagrama), la superconductividad tiene una coherencia más fuerte. Indicado por franjas de color azul claro en la figura. De esta manera, habrá propiedades de transporte muy diferentes a lo largo de las franjas y las franjas verticales antes de que el sistema forme un estado superconductor global. Los investigadores creen que el mecanismo de la fase de raya requiere más estudios experimentales, como el uso de estructuras electrónicas locales y técnicas de detección magnética (como STM, nano-ARPES o escaneo SQUID) para observar si hay gases de electrones superconductores modulados en el espacio. brecha de energía o distribución del momento magnético. Además, vale la pena señalar que cálculos teóricos recientes han predicho que la superficie KTO (111) es una buena plataforma para realizar un posible estado superconductor topológico. El trabajo de investigación relacionado con el seguimiento merece atención.
Este trabajo fue completado por varios científicos en grupos de investigación de varias instituciones de investigación. Incluido el Dr. Liu Changjiang (primer autor y autor correspondiente), el Dr. Yan Xi (mismo trabajo), el Dr. Dillon Fong y el Dr. Anand Bhattacharya (autor correspondiente) de la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional Argonne. Además, los médicos de la Fuente Avanzada de Radiación Sincrotrón (APS) de Estados Unidos, el Dr. Jin, el Dr. Wen Jianguo, el Dr. Zhou y el Dr. Lin Yulin del Centro Nacional de Nanomateriales, el profesor Zuo Jianmin de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Sun del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China. Investigadores y profesores del Centro de Materiales Cuánticos de la Universidad de Pekín también participan en el proyecto.
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https://science.sciencemag.org/content/early/2021/01/21/science.ABA 5511? rss=1