[論文レビュー] Discovery of two-dimensional anisotropic superconductivity at KTaO$_3$ (111) interfaces

Changjiang Liu, Xi Yan+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 63被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、EuO や LaAlO₃ の被膜を有する (111) 方向を向いた KTaO₃ 界面における二次元的異方性超伝導性が発見された。超伝導転移温度は約 2.2 K に近く、LaAlO₃/SrTiO₃ 系に比べ顕著に高い。超伝導性は二次元に制限されており、超伝導転移の前段階でストライプ状の相が存在することを示す強い面内異方性を示している。

ABSTRACT

The unique electronic structure found at interfaces between materials can allow unconventional quantum states to emerge. Here we observe superconductivity in electron gases formed at interfaces between (111) oriented KTaO$_3$ and insulating overlayers of either EuO or LaAlO$_3$. The superconducting transition temperature, approaching 2.2 K, is about one order of magnitude higher than that of the LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ system. Strikingly, similar electron gases at (001) KTaO$_3$ interfaces remain normal down to 25 mK. The critical field and current-voltage measurements indicate that the superconductivity is two dimensional. Higher mobility EuO/KTaO$_3$ (111) samples show a large in-plane anisotropy in transport properties at low temperatures prior to onset of superconductivity, suggesting the emergence of a stripe like phase where the superconductivity is nearly homogeneous in one direction, but strongly modulated in the other.

研究の動機と目的

• 絶縁酸化物被膜を有する (111) 方向を向いた KTaO₃ 界面における二次元電子系に生じる超伝導性の発現を調査すること。
• 既知の (001) 方向 LaAlO₃/SrTiO₃ 系における超伝導性を踏まえ、(111) および (001) 方向 KTaO₃ の超伝導特性を比較すること。
• これらのヘテロ構造における超伝導状態の次元性および異方性を特定すること。
• 輸送異方性の原因を特定し、超伝導転移の前段階における電子秩序との関係を調査すること。

提案手法

• パulsed laser deposition を用いて、(111) 方向を向いた KTaO₃ サブストレート上にエpitaxialな EuO および LaAlO₃ 薄膜を成長させること。
• 抵抗率および臨界磁場依存性の測定を通じて、超伝導転移を同定するための電気的輸送特性の測定。
• 臨界磁場の面内および垂直方向の異方性を分析し、超伝導性が二次元的であることを確認すること。
• 低温輸送測定を用いて、超伝導転移の前段階における正常状態での面内異方性を検出すること。
• 移動度および界面品質と、異方性輸送および超伝導挙動の出現との相関を分析すること。
• 得られた結果を既知の (001) KTaO₃ および LaAlO₃/SrTiO₃ 系と比較し、超伝導応答における相違点を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁酸化物被膜を有する (111) 方向 KTaO₃ 界面に超伝導性が発現するか？
• RQ2 (111) KTaO₃ における超伝導転移温度は、(001) KTaO₃ や LaAlO₃/SrTiO₃ 系と比較してどの程度か？
• RQ3 これらの (111) 界面における超伝導状態の次元性および異方性は何か？
• RQ4 正常状態において、超伝導転移の前段階にストライプ状の電子相が存在する証拠はあるか？
• RQ5 界面品質および電子移動度は、異方性超伝導性の出現にどのように寄与するか？

主な発見

• EuO または LaAlO₃ の被膜を有する (111) 方向 KTaO₃ 界面に超伝導性が観測され、臨界温度は約 2.2 K に近い値を示した。
• (111) KTaO₃ における超伝導転移温度は、LaAlO₃/SrTiO₃ 系に比べ約一桁高い。
• (001) KTaO₃ 界面における電子系は 25 mK まで正常状態のままであり、超伝導性の方向依存性が顕著であることを示している。
• 臨界磁場および電流-電圧特性の測定により、超伝導性が二次元的性質を有することが確認された。
• 高移動度の EuO/KTaO₃ (111) サンプルでは、超伝導が発現する以前に低温で顕著な面内異方性が観測された。
• 観測された異方性は、一方の面内方向ではほぼ均一な超伝導性、他方の方向では強い周期的変調を示すストライプ状電子相の形成を示唆している。