Strutture elettroniche uniche trovate nelle interfacce dei materiali possono consentire l'emergere di stati quantistici non convenzionali. In un nuovo rapporto su Scienza , Changjiang Liu e un gruppo di ricerca presso l'Argonne National Laboratory, L'Università dell'Illinois e l'Accademia cinese delle scienze hanno dettagliato la scoperta della superconduttività nei gas di elettroni formati alle interfacce tra il tantalato di potassio (KTaO ₃ ) e strati isolanti di ossido di Europio-II (EUO) o di alluminato di lantanio (LaAlO ₃ ). La temperatura di transizione superconduttiva che si avvicinava a 2,2 K osservata in questo lavoro era di un ordine di grandezza superiore rispetto ai precedenti sistemi di alluminato di lantanio/titanato di stronzio. Le misurazioni del campo critico e della tensione di corrente hanno indicato il carattere bidimensionale (2-D) della superconduttività. Il team ha notato un'anisotropia spontanea di trasporto in aereo nell'EUO/ KTaO ₃ campioni prima dell'inizio della superconduttività per suggerire l'emergere di una distinta fase simile a "striscia" vicino al campo critico.

Superconduttività in 2-D

Liu et al. descritto la superconduttività 2-D nei gas di elettroni formati alle interfacce ossido-isolante/ossido di tantalato di potassio. La superconduttività in due dimensioni è un tema centrale nella fisica della materia condensata e nella scienza dei materiali. Nelle superfici 2D, le interazioni elettrone-elettrone e elettrone-reticolo che mediano l'appaiamento possono dare origine a stati che competono con la superconduttività. Di conseguenza, solo una piccola frazione di gas di elettroni 2-D (2-DEG) e film metallici ultrasottili sono superconduttori. I ricercatori avevano precedentemente condotto la maggior parte del lavoro fondamentale sulla superconduttività 2-D utilizzando film sottili amorfi per raccogliere approfondimenti sulla natura delle transizioni di fase classiche e quantistiche. La superconduttività 2-D può essere realizzata in materiali cristallini e interfacce tra materiali cristallini per consentire agli scienziati di realizzare e rompere simmetrie per adattare strutture elettroniche in modi finora impossibili in film sottili amorfi e disordinati. Ad esempio, in un superconduttore 2-D con forte accoppiamento spin-orbita e simmetria di inversione rotta, un'interazione Rashba può portare a una piattaforma candidata per realizzare modalità Majorana. Tre degli esempi più importanti di superconduttori 2-D alle interfacce cristalline coinvolgono ossidi di metalli di transizione con forti interazioni elettrone-elettrone ed elettrone-reticolo per mediare l'accoppiamento superconduttore.

Tantalato di potassio (KTaO ₃ o KTO) è un isolante con una struttura cubica di perovskite e una costante dielettrica che supera i 4500 per raffreddamento a basse temperature. Il materiale KTO è un substrato "paraelettrico quantistico" dovuto alle fluttuazioni quantistiche a basse temperature durante la transizione ferroelettrica. I ricercatori possono utilizzare il gating del liquido ionico per sintonizzare la superficie del KTO in uno stato superconduttore debole. Per realizzare gas di elettroni 2-D (2-DEG) alle interfacce KTO, hanno introdotto il taglio sottovuoto, seguito da esposizione a raggi UV o di sincrotrone. Utilizzando studi di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) sulla superficie KTO, Liu et al. trovato una superficie di Fermi distinta con una simmetria di sei volte derivata dall'architettura reticolare. Hanno misurato una temperatura di transizione fino a 2,2 K, che hanno sintonizzato variando la densità del vettore durante la crescita del campione. Hanno anche notato una fase di striscia emergente che ha rotto la simmetria rotazionale nella superficie KTO.

L'esperimento

Il team ha quindi preparato il gas di elettroni 2-D (2-DEG) su tantalato di potassio (KTO) facendo crescere uno strato di ossido di europio (EUO) tramite epitassia a fascio molecolare o alluminato di lantanio (LAO) utilizzando la deposizione laser pulsata, che hanno confermato utilizzando misurazioni di diffrazione dei raggi X. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione con correzione dell'aberrazione e la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, hanno rilevato posti vacanti di ossigeno vicino all'interfaccia EUO/KTO. Quando abbassarono la temperatura, l'interfaccia mostrava la superconduttività. Liu et al. crescere i campioni a diverse temperature e pressioni di ossigeno per ottenere diverse densità e mobilità dei vettori. Hanno notato che la superconduttività 2-D dell'interfaccia dipendente dall'orientamento cristallografico osservata all'interfaccia KTO è in netto contrasto con i 2-DEG osservati alle interfacce del titanato di stronzio (STO), dove si verificava la superconduttività per tutti gli orientamenti.

Comportamento corrente-tensione e geometria di Van der Pauw

Anche la superconduttività nel campione EUO/KTO ha mostrato un robusto comportamento di corrente critica. Quando il team ha alzato la temperatura vicino alla temperatura di transizione, hanno notato un graduale inizio di uno stato resistivo a basse correnti. Hanno interpretato l'evoluzione della superconduttività in un superconduttore 2-D rispetto a una transizione Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). Di conseguenza, la separazione guidata dalla corrente delle coppie anti-vortice di vortice creata dalle fluttuazioni termiche a temperature finite ha causato l'insorgenza di una tensione di corrente non lineare (I-V) nello stato superconduttivo. I risultati hanno inoltre suggerito che la superconduttività 2-D sia disomogenea (diversa), dove i collegamenti deboli si sono uniti alle regioni superconduttrici.

Il team ha quindi notato la comparsa di una fase distinta vicino allo stato superconduttore in campioni EUO/KTO a bassa densità di portatori e ha condotto misurazioni della resistenza in una geometria di van der Pauw; cioè., una semplice tecnica analitica per determinare la resistività elettrica e la resistenza del foglio. Quando hanno abbassato la temperatura al di sotto di 2,2 K, la resistenza è aumentata di quasi il 50 percento per la corrente lungo l'asse del cristallo, mentre è diminuito del 50 percento per la corrente che scorre in una diversa direzione cristallografica. Il metodo van der Pauw ha amplificato l'anisotropia di trasporto in 2-DEG ad alta mobilità suggerendo l'emergere di una fase distinta che ha rotto la simmetria rotazionale attraverso scale di lunghezza macroscopiche, che persisteva in un ampio intervallo di temperatura da 2,2 K fino a circa 0,7 K. A temperature ancora più basse, la resistenza nelle direzioni cristallografiche si riduce rapidamente a zero per ottenere uno stato superconduttivo.

Caratteristiche della superconduttività 2-D

Dopo aver abbassato la temperatura nel setup, Liu et al. notato un aumento della resistenza a causa di pozzanghere superconduttrici che inibiscono il trasporto tra regioni superconduttrici debolmente accoppiate. Hanno ripristinato la superconduttività globale a temperature più basse tramite l'accoppiamento Josephson tra queste regioni. I risultati hanno indicato che la superconduttività sottostante è anisotropa, consentendo alle regioni superconduttrici di organizzarsi in strisce con allineamento coerente su scale di lunghezza macroscopiche. La dipendenza dal campo magnetico della resistenza del foglio ha fornito ulteriori prove per una fase anisotropica simile a una striscia. All'aumentare del campo magnetico, Liu et al. osservato un forte aumento della resistenza che ha soppresso la superconduttività globale lungo entrambe le direzioni della corrente. In questo modo, mentre gli scienziati hanno soppresso la superconduttività globale usando la temperatura o i campi magnetici, le misurazioni del trasporto hanno rivelato una fase a strisce per produrre un grande trasporto anisotropico orientato lungo assi cristallini simili nelle interfacce KTO e STO (tantassio di potassio e titanato di stronzio). Il gruppo di ricerca propone di condurre ulteriori esperimenti, compresi quelli che sondano la struttura spaziale della superconduttività per comprendere la natura della superconduttività osservata e dell'anisotropia di resistenza.

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