Gli stati superconduttori non convenzionali sono stati di superconduttività radicati in processi fisici che non sono conformi alla teoria convenzionale della superconduttività, vale a dire la teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer (BCS). Questi stati sono caratterizzati da strette interazioni tra magnetismo e superconduttività.
I ricercatori dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC), dell’Università di Tsinghua e dell’Università di Fudan hanno recentemente cercato di comprendere meglio i meccanismi alla base della superconduttività non convenzionale. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , ha svelato l'emergenza spontanea di uno stato superconduttore spazialmente variabile in un'eterostruttura di ossido, in particolare all'interfaccia tra KTaO3 ed EuO ferromagnetico.
"Il nostro recente articolo ha studiato la superconduttività non convenzionale all'interfaccia tra KTaO3 orientato a (110) (KTO) ed EuO ferromagnetico," ha detto a Phys.org Ziji Xiang dell'USTC, coautore dell'articolo. "Sia KTO che EuO sono isolanti, tuttavia la loro interfaccia in tale eterostruttura ospita gas di elettroni bidimensionali (2DEG) che diventa superconduttore a basse temperature."
Il recente studio condotto da questo team di ricercatori aveva due obiettivi chiave. Il primo era quello di svelare nuovi stati superconduttori in un'eterostruttura di ossido con uno strato ferromagnetico (cioè EuO). Il secondo era quello di esplorare l'evoluzione della superconduttività dell'interfaccia in seguito a manipolazioni sperimentali mirate, come la modifica della densità del portatore (ns ) dell'interfaccia.
"La nostra ricerca si ispira all'idea che la superconduttività non convenzionale di solito emerge in prossimità del magnetismo", ha detto Xiang. "In particolare, per i superconduttori ad alta temperatura a base di rame e ferro, molti dei meccanismi di accoppiamento superconduttori proposti sono strettamente collegati al magnetismo; inoltre, l'interazione tra magnetismo e superconduttività può dare vita a fasi più peculiari della materia, inclusa la ordine di onde di densità di coppia (PDW) con un parametro di ordine superconduttore spazialmente oscillante e un accoppiamento di momento finito che è stato recentemente al centro dell'attenzione della ricerca."
L'eterostruttura EuO/KTO esaminata da Xiang e dai suoi colleghi mostra un forte effetto di prossimità ferromagnetico suscitato dallo strato superiore EuO. Questo effetto lo rende una piattaforma ideale per studiare la superconduttività non convenzionale.
"Il primo rapporto sulla superconduttività all'interfaccia EuO/KTO è stato pubblicato nel 2021, concentrandosi sull'interfaccia KTO (111)", ha affermato Xiang. "Da allora abbiamo lavorato sull'interfaccia EuO/KTO (110) (considerando la sua migliore qualità dell'interfaccia), in cui abbiamo rivelato l'emergere della superconduttività bidimensionale in un articolo precedente."
I ricercatori hanno preparato le eterostrutture EuO/KTO(110) utilizzate nei loro esperimenti utilizzando una tecnica nota come epitassia a fascio molecolare. Hanno sviluppato specificatamente film EuO sopra substrati monocristallini KTO orientati al (110).
"Controllando le condizioni di crescita, siamo stati in grado di ottenere eterostrutture con diversa densità di portatori interfacciali ns ", ha detto Xiang. "Abbiamo quindi fabbricato dispositivi Hall-bar standard per condurre misurazioni del trasporto elettrico. I dispositivi Hall-bar sono stati appositamente progettati in modo tale che la resistenza del 2DEG interfacciale possa essere misurata simultaneamente per due direzioni ortogonali della corrente elettrica applicata:sulla superficie KTO (110), queste due direzioni ortogonali sono [001] e [1-10 ].."
Oltre a condurre esperimenti di trasporto, i ricercatori hanno analizzato le eterostrutture utilizzando una tecnica magnetometrica basata su un dispositivo di interferenza superconduttore a scansione (scanning SQUID), in collaborazione con il laboratorio guidato dal Prof. Yihua Wang dell'Università di Fudan. Questa tecnica ha permesso loro di caratterizzare le proprietà magnetiche dei loro campioni.
In collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Zheng Liu presso l'Università di Tsinghua, i ricercatori hanno anche eseguito una serie di calcoli sui principi primi, per comprendere meglio le loro osservazioni sperimentali. Questi calcoli avevano lo scopo di delineare la struttura della banda elettronica del 2DEG interfacciale.
"In primo luogo, il nostro trasporto elettrico ha rivelato un'anisotropia nel piano molto insolita del superconduttore 2DEG all'interfaccia EuO/KTO(110)", ha detto Xiang. "Cioè, sia la temperatura di transizione (Tc ) e il campo critico superiore (Hc2 , il campo magnetico in cui la superconduttività si rompe) sembrano essere fortemente dipendenti dalla direzione della corrente elettrica applicata I; con I parallelo a [001], entrambi Tc e Hc2 sono maggiori rispetto al caso di I parallelo a [1-10]. Tale dipendenza direzionale è molto rara tra i superconduttori."
La scansione dell'imaging SQUID ha rivelato la presenza di due successive transizioni diamagnetiche nei campioni del team. Ciò suggerisce che la dipendenza direzionale nel trasporto da loro osservata deriva effettivamente dalla coesistenza submicrometrica di due fasi superconduttrici.
"Sulla base dei nostri risultati, proponiamo uno scenario in cui la fase superconduttiva con Tc più elevata è una fase a "striscia" in cui emergono fasci superconduttori unidimensionali (1D) allineati unidirezionalmente lungo [001]," ha detto Xiang.
"La superconduttività coerente viene sviluppata per la prima volta all'interno di queste strutture 1D, dando origine al Tc dipendente dalla direzione e Hc2 . L'instaurazione della superconduttività 2D su tutta l'interfaccia avviene solo a una temperatura più bassa."
Il secondo risultato centrale è che la superconduttività direzionale sopra menzionata esiste solo in eterostrutture con bassa densità di portatori 2DEG (ns <~8´10 13 cm -2 ). Per 2DEG con ns più alti , il Tc e Hc2 non mostrare mai alcuna dipendenza dalla direzione della corrente. Quindi, l'emergere della fase di striscia superconduttiva proposta deve dipendere dal riempimento della banda.
"La cosa più importante è che sia le nostre indagini sperimentali che quelle teoriche suggeriscono che il 2DEG è fortemente accoppiato al ferromagnetismo EuO solo nei s bassi campioni in cui si osserva la superconduttività direzionale," ha detto Xiang.
"A causa di questo forte accoppiamento, le bande elettroniche di 2DEG mostrano una pronunciata polarizzazione dello spin. Pertanto, concludiamo che la formazione della fase a strisce superconduttrici deve essere strettamente correlata a tale effetto di prossimità ferromagnetico potenziato."
Il recente lavoro di Xiang e dei suoi colleghi svela uno stato superconduttore non convenzionale indotto dalla vicinanza con un'eterostruttura di ossido. Questo stato, caratterizzato dall'emergenza spontanea di strisce superconduttrici 1D su un'interfaccia 2D, serve da esempio di come le dimensioni possono essere ridotte negli stati superconduttori.
"Questo fenomeno osservato ci ricorda la riduzione dimensionale riportata nel superconduttore ad alta temperatura di ossido di rame La2-x Bax CuO4 (x =1/8), in cui gli stati superconduttori 2D si sviluppano in un sistema tridimensionale a causa dell'interazione tra superconduttività e ordini di carica/spin," ha detto Xiang.
"Questi stati superconduttori 2D sono stati suggeriti come stati PDW. Quindi, qual è la natura delle strisce superconduttrici emergenti nelle nostre eterostrutture? Sono anche manifestazioni di un ordine PDW o associate ad alcune fasi superconduttrici ancora più esotiche?"
Nei loro prossimi studi, i ricercatori cercheranno di rispondere a queste importanti domande. I loro risultati finora confermano che l'accoppiamento con il magnetismo gioca un ruolo cruciale nella realizzazione della superconduttività non convenzionale.
In futuro, Xiang e i suoi colleghi intendono indagare ulteriormente sulla fase della striscia superconduttiva che hanno osservato, per scoprire di più sull’accoppiamento superconduttore sottostante. Ciò potrebbe consentire loro di comprendere meglio come questo esotico stato superconduttore possa emergere da bande elettroniche con una forte polarizzazione di spin.
"Sfortunatamente, la presenza di uno strato esterno di EuO impedisce l'applicazione della maggior parte delle sonde spettroscopiche per uno studio diretto dell'interfaccia", ha aggiunto Xiang. "Abbiamo lavorato allo sviluppo di una tecnica che misura la densità del superfluido all'interfaccia. Monitorando l'evoluzione della densità del superfluido al variare della temperatura, possiamo ottenere preziose informazioni sulle proprietà termodinamiche primarie della fase a strisce superconduttrici, che potrebbero essere un passo cruciale verso una comprensione più profonda della nuova fisica coinvolta."
Ulteriori informazioni: Xiangyu Hua et al, Strisce superconduttrici indotte dalla prossimità ferromagnetica in un'eterostruttura di ossido, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02443-x
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