Stato superconduttore scoperto alle interfacce con superfici KTaO3 orientate (111), che ha un reticolo a nido d'ape allacciato. Le coppie di elettroni Cooper sono mostrate in viola. Le misurazioni del trasporto suggeriscono che lo stato superconduttore è anisotropo. Credito:Anand Bhattacharya/Laboratorio nazionale Argonne.
Il nuovo superconduttore interfacciale ha nuove proprietà che sollevano nuove domande fondamentali e potrebbe essere utile per l'elaborazione delle informazioni quantistiche o il rilevamento quantistico.
Le interfacce nei solidi costituiscono la base di gran parte della tecnologia moderna. Per esempio, i transistor presenti in tutti i nostri dispositivi elettronici funzionano controllando gli elettroni alle interfacce dei semiconduttori. Più in generale, l'interfaccia tra due materiali qualsiasi può avere proprietà uniche che sono notevolmente diverse da quelle che si trovano all'interno di entrambi i materiali separatamente, ponendo le basi per nuove scoperte.
Come i semiconduttori, i materiali superconduttori hanno molte importanti implicazioni per la tecnologia, dai magneti per la risonanza magnetica all'accelerazione dei collegamenti elettrici o forse alla realizzazione della tecnologia quantistica. La stragrande maggioranza dei materiali e dei dispositivi superconduttori sono 3D, dando loro proprietà che sono ben comprese dagli scienziati.
Una delle questioni fondamentali con i materiali superconduttori riguarda la temperatura di transizione, la temperatura estremamente fredda alla quale un materiale diventa superconduttore. Tutti i materiali superconduttori a pressioni regolari diventano superconduttori a temperature molto al di sotto del giorno più freddo all'aperto.
Ora, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un nuovo modo per generare superconduttività 2D in corrispondenza di un'interfaccia materiale a una temperatura di transizione relativamente alta, sebbene ancora fredda. Questo superconduttore interfacciale ha nuove proprietà che sollevano nuove domande fondamentali e potrebbe essere utile per l'elaborazione delle informazioni quantistiche o il rilevamento quantistico.
Nello studio, Il ricercatore post-dottorato di Argonne Changjiang Liu e colleghi, lavorando in un team guidato dallo scienziato dei materiali Argonne Anand Bhattacharya, hanno scoperto che un nuovo superconduttore 2D si forma all'interfaccia di un isolante di ossido chiamato KTaO 3 (KTO). I loro risultati sono stati pubblicati online sulla rivista Science il 12 febbraio.
Nel 2004, gli scienziati hanno osservato un sottile strato di elettroni conduttori tra altri due isolanti di ossido, LaAlO 3 (LAO) e SrTiO 3 (STO). In seguito è stato dimostrato che questo materiale, chiamato gas di elettroni 2D (2DEG) può persino diventare superconduttore, consentendo il trasporto di elettricità senza dissipare energia. È importante sottolineare che la superconduttività potrebbe essere attivata e disattivata utilizzando campi elettrici, proprio come in un transistor.
Però, per raggiungere un tale stato superconduttore, il campione doveva essere raffreddato a circa 0,2 K, una temperatura prossima allo zero assoluto (- 273,15 °C), che richiede un apparato specializzato noto come frigorifero di diluizione. Anche con temperature di transizione così basse ( T C ), l'interfaccia LAO/STO è stata pesantemente studiata nel contesto della superconduttività, spintronica e magnetismo.
Nella nuova ricerca, il team ha scoperto che in KTO, la superconduttività interfacciale potrebbe emergere a temperature molto più elevate. Per ottenere l'interfaccia superconduttiva, Liu, lo studente laureato Xi Yan e i suoi colleghi hanno coltivato strati sottili di ossido di europio (EuO) o LAO su KTO utilizzando strutture all'avanguardia per la crescita di film sottili ad Argonne.
"Questa nuova interfaccia ad ossido rende più fattibile l'applicazione di dispositivi superconduttori 2D, " Liu ha detto. "Con la sua temperatura di transizione più alta dell'ordine di grandezza di 2,2 K, questo materiale non avrà bisogno di un frigorifero a diluizione per essere superconduttore. Le sue proprietà uniche sollevano molte domande interessanti."
Uno strano superconduttore
Sorprendentemente, questa nuova superconduttività interfacciale mostra una forte dipendenza dall'orientamento della sfaccettatura del cristallo dove si forma il gas di elettroni.
Aggiungendo al mistero, le misurazioni suggeriscono la formazione di superconduttività a strisce in campioni di drogaggio inferiore in cui i rivoli delle regioni superconduttrici sono separati da normali, regioni non superconduttrici. Questo tipo di formazione spontanea di strisce è anche chiamato nematicità, e si trova solitamente nei materiali a cristalli liquidi utilizzati per i display.
"Le realizzazioni elettroniche di nematicità sono rare e di grande interesse fondamentale. Si scopre che lo strato di EuO è magnetico, e il ruolo di questo magnetismo nella realizzazione dello stato nematico in KTO rimane una questione aperta, " disse Bhattacharya.
Nel loro articolo su Science, gli autori discutono anche i motivi per cui si forma il gas di elettroni. Utilizzando microscopi elettronici a trasmissione a risoluzione atomica, Jianguo Wen al Center for Nanoscale Materials ad Argonne, insieme al gruppo del professor Jian-Min Zuo presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, hanno mostrato che i difetti formati durante la crescita del sovrastrato possono svolgere un ruolo centrale.
In particolare, hanno trovato prove di posti vacanti di ossigeno e difetti di sostituzione, dove gli atomi di potassio sono sostituiti da ioni europio o lantanio, che aggiungono elettroni all'interfaccia e la trasformano in un conduttore 2D. Utilizzo di raggi X ultraluminosi all'Advanced Photon Source (APS), Yan insieme agli scienziati di Argonne Hua Zhou e Dillon Fong, ha sondato le interfacce di KTO sepolte sotto lo strato di copertura e ha osservato le firme spettroscopiche di questi elettroni extra vicino all'interfaccia.
"I kit di strumenti a raggi X sensibili all'interfaccia disponibili presso l'APS ci consentono di rivelare le basi strutturali per la formazione 2DEG e l'insolita dipendenza dalle sfaccettature dei cristalli della superconduttività 2D. È in corso una comprensione più dettagliata, " Disse Zhu.
Oltre a descrivere il meccanismo di formazione del 2DEG, questi risultati indicano la strada per migliorare la qualità del gas di elettroni interfacciale controllando le condizioni di sintesi. Poiché la superconduttività si verifica sia per gli strati di ossido di EuO che di LAO che sono stati provati finora, molte altre possibilità restano da esplorare.
La ricerca è discussa nel documento "Superconduttività bidimensionale e trasporto anisotropo a KTaO 3 (111) interfacce, " Scienza , DOI:10.1126/science.aba5511.
