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Science: KTaO3(111)界面的二维超导性和各向异性运输现象 澳洲国际快3开奖直播

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已有 2372 次阅读 2021-2-18 21:44 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

Science: KTaO3(111)界面的二维超导性和各向异性运输现象

诸平

据物理学家组织网(phys.org2021215日提供的消息,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign);中国科学院物理研究所和北京凝聚态国家实验室(Beijing National Laboratory for Condensed Matter and Institute of Physics)、北京大学、济南大学的研究者合作,发现钽酸钾(KTaO3)的(111)界面的二维超导性和各向异性输运现象相关研究结果,已经在《科学》(Science)杂志网站发表——Changjiang Liu, Xi Yan, Dafei Jin, Yang Ma, Haw-Wen Hsiao, Yulin Lin, Terence M. Bretz-Sullivan, Xianjing Zhou, John Pearson, Brandon Fisher, J. Samuel Jiang, Wei Han, Jian-Min Zuo, Jianguo Wen, Dillon D. Fong, Jirong Sun, Hua Zhou, Anand Bhattacharya. Two-dimensional superconductivity and anisotropic transport at KTaO3 (111) interfaces. Science, 12 Feb 2021, Vol. 371, Issue 6530, pp. 716-721. DOI: 10.1126/science.aba5511

材料之间的界面通常来说可以展现不属于界面两边任一材料的量子态。特别是对于二维系统,界面上独特的电子结构能够允许非传统量子态的出现。如LaAlO3SrTiO3两个绝缘氧化物之间在200 mK的临界温度上出现的超导界面就是一个典型的例子。而2021212日发表于《科学》杂志网站的中美科学家的合作研究成果,报道了在一种电子气中发现了超导性。这种电子气形成于(111)取向KTaO3KTO)和EuO(或者LaAlO3)之间的界面,超导转变温度可达2.2 K,比LaAlO3/SrTiO3系统高出整整一个数量级。更值得一提的是,当温度下降至25 mK时,KTaO3 (001)界面上相似的电子气仍然能维持正常。临界场以及电流-电压测量表明,这一超导性是二维的。而在EuO/KTaO3 (111)样品中,研究人员还发现在超导性出现之前,在EuO/KTaO3 (111)样品能观察到面内输运各向异性的情况,表面条带状相的出现。基于这些实验结果,研究认为这项工作不仅有利于超导器件的开发,还为超导性的机理研究提供了崭新的机会。1KTO111)界面、XANESSTEM表征的示意图。

 

Fig. 3 Critical field and current-voltage measurements on sample EuO/KTO(111)_3. (A,B) Sheet resistance measured at different temperatures as a function of the out-of-plane and in-plane magnetic fields, respectively. (C) Temperature dependence of critical fields, which are determined at half of RN (dotted horizontal line in (A) and (B)). (D) I-V curves measured at different temperatures. (E) I-V curves plotted on a logarithmic scale using same color codes as in (D). Black solid lines are linear fits to the data. Red dashed line is V ∝ I3, which is used to infer the BKT transition temperature. (F) Hysteresis of I-V curves near the critical current measured at temperatures below Tc0. In all the measurements (A)-(F), the current is applied along [112 ] direction. Credit: Science, doi: 10.1126/science.aba5511

实验

该团队接下来在钽酸钾(KTO)上制备了二维电子气(2-D electron gas, 2-DEG),方法是通过分子束外延或铝酸镧(lanthanum aluminate, LAO)脉冲激光沉积,他们证实了X射线衍射测量。使用像差校正高分辨率透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜,他们检测到的氧空位附近的EUO/KTO界面。当他们降低温度时,界面显示超导性。刘长江等人在不同的温度和氧压下生长样品,以获得不同的载流子密度和迁移率。他们指出,在KTO界面观察到的晶体取向依赖的界面二维超导性与在钛酸锶(strontium titanate, STO)界面观察的2-DEGs形成鲜明对比,女神国际重庆时时彩彩票官网:其中超导发生在所有方向。

电流电压行为与范德堡几何Van der Pauw geometry

EUO/KTO样品的超导性也表现出强大的临界电流行为。随着研究小组将温度提高到接近转变温度,他们注意到在低电流下电阻状态的逐渐开始。他们解释了二维超导体相对于一个BerezinskiiKosterlitzThoulessBKT)转型的超导性演变。因此,在有限温度下,由热波动产生的涡旋反涡旋对在电流驱动下解绑定,在超导状态下产生非线性的电流-电压(I-V)。结果进一步表明,二维超导是不均匀的(多样化的),其中薄弱环节加入了超导区域。

研究小组随后注意到在低载流子密度EUO/KTO样品中超导态附近出现了明显的相位,并在范德堡几何结构中进行了电阻测量;也就是说,一种测定电阻率和薄片电阻的简单分析技术。当温度降低到2.2 K以下时,沿晶轴方向的电流电阻增加了近50%,而沿不同晶体学方向的电流电阻则减少了50%。范德堡方法放大了高迁移率2-DEGs的输运各向异性,表明在宏观长度尺度上出现了一种打破旋转对称性的明显相位,这种相位在从2.2 K0.7 K的宽温度范围内持续存在。在更低的温度下,晶体学方向上的电阻迅速降为零,从而获得超导状态。

二维超导特性

在降低设置中的温度后,;刘长江等人注意到由于超导水坑(superconducting puddles)抑制弱耦合超导区域之间的传输,导致电阻增加。他们通过这些区域之间的约瑟夫森耦合(Josephson coupling)恢复了低温下的全局超导性。结果表明超导性是各向异性的,允许超导区域在宏观长度尺度上组织成相干排列的条纹。薄片电阻的磁场依赖性为各向异性的条状相提供了进一步的证据。随着磁场的增加,刘长江等人观察到电阻急剧增加,抑制了电流沿两个方向上的全局超导性。 

通过这种方式,当科学家们利用温度或磁场抑制全局超导性时,输运测量显示,在KTOSTO(钽酸钾和钛酸锶)界面中,条形相会产生沿类似晶体轴方向的大的各向异性输运。研究小组建议进行进一步的实验,包括探索超导的空间结构,以了解所观测到的超导性和电阻各向异性的本质。上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

A superconducting interface

Interfaces between materials can harbor quantum states that belong to neither of the materials. A classic example is the superconducting interface between two insulating oxides, LaAlO3 and SrTiO3, with a critical temperature of around 200 millikelvin. Liu et al. observed superconductivity at a different interface—formed between KTaO3 as a substrate and an overlayer of either EuO or LaAlO3—at a considerably higher temperature of about 2 kelvin. Transport measurements displayed anisotropy, which may indicate an unusual superconducting state.

Science, this issue p716

Abstract

The distinctive electronic structure found at interfaces between materials can allow unconventional quantum states to emerge. Here we report on the discovery of superconductivity in electron gases formed at interfaces between (111)-oriented KTaO3 and insulating overlayers of either EuO or LaAlO3. The superconducting transition temperature, as high as 2.2 kelvin, is about one order of magnitude higher than that of the LaAlO3/SrTiO3 system. Notably, similar electron gases at KTaO3 (001) interfaces remain normal down to 25 millikelvin. The critical field and current-voltage measurements indicate that the superconductivity is two-dimensional. In EuO/KTaO3 (111) samples, a spontaneous in-plane transport anisotropy is observed before the onset of superconductivity, suggesting the emergence of a distinct “stripe”-like phase, which is also revealed near the critical field.



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2 黄永义 晏成和

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