[論文レビュー] Electric field control of disorder-tunable superconductivity and the emergence of quantum metal at an oxide interface

Zheng Chen, Yuan Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 41被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、LaAlO3/KTaO3(111)酸化物界面において、電界による超伝導性および量子金属状態の制御を示した。ゲート電圧の調整により、キャリア密度の変化が顕著でないにもかかわらず、ドーム型の超伝導転移温度（Tc ~2 K）が誘起された。代わりに、空間的キャリア分布の設計によって不純度レベルが制御され、超伝導体-絶縁体転移付近に非ユニバーサルな臨界性を示す量子金属状態が明らかになった。

ABSTRACT

We report on an extraordinary field effect of the superconducting LaAlO3/KTaO3(111) interface with Tc ~2 K. By applying a gate voltage (VG) across KTaO3, the interface can be continuously tuned from superconducting into insulating states, yielding a dome-shaped Tc-VG dependence. The electric gating has only a minor effect on carrier density as evidenced in the Hall-effect measurement, while it changes spatial profile of the carriers in the interface, hence the carrier's disorder level significantly. As temperature is decreased, the resistance saturates at lowest temperature in both superconducting and insulating sides, despite an initial dramatic dropping or increasing, which suggests an emergence of quantum metallic state associated with failed superconductor and/or fragile insulator. A VG-modulation of the magnetic-field-driven superconductor to insulator quantum phase transition reveals a non-universal criticality.

研究の動機と目的

• 不純度を調整可能な酸化物ヘテロ構造における超伝導性の電界制御を調査すること。
• 超伝導体-絶縁体量子相転移付近における量子金属的挙動の出現を調査すること。
• キャリア局在化および空間的分布が、超伝導状態および絶縁状態の制御に果たす役割を特定すること。
• 二次元超伝導体における量子臨界性の普遍性を調べること。

提案手法

• ゲート電圧（VG）をKTaO3に印加し、LaAlO3/KTaO3(111)界面における電子状態を調整する。
• ホール効果測定により、VG下でもキャリア密度の変化が最小限であることが確認され、不純度が主な調整パrameterであることが示された。
• 輸送測定により、抵抗およびTcをVGおよび温度の関数として追跡し、ドーム型のTc-VG依存性を明らかにした。
• 超伝導的および絶縁的相において低温で抵抗が飽和する現象が観測され、量子金属的挙動が示された。
• 磁場を用いた超伝導体-絶縁体転移を、さまざまなVG条件下で測定し、臨界性を評価した。
• VG依存の量子相転移から非ユニバーサルな臨界行動が抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電界ゲートによってLaAlO3/KTaO3(111)界面における超伝導性が、キャリア密度の変化なしにどのように制御されるか？
• RQ2 キャリアの不純度および空間的分布が、超伝導性および量子金属状態の実現に果たす役割は何か？
• RQ3 超伝導体-絶縁体量子相転移は、普遍的または非ユニバーサルな臨界性を示すか？
• RQ4 ゲート制御下で、超伝導的および絶縁的相の両方において量子金属的挙動が出現可能か？

主な発見

• ゲート電圧（VG）に対する超伝導転移温度（Tc ~2 K）のドーム型依存性が観測され、超伝導性の可逆的制御が示された。
• ホール測定により、VGによるキャリア密度の変化が顕著でないことが確認され、不純度が主な調整パrameterであることが裏付けられた。
• 超伝導的および絶縁的領域の両方で低温で抵抗が飽和する現象が観測され、量子金属状態の出現が示された。
• ゲート電圧の変化に伴う超伝導体-絶縁体量子相転移は、非ユニバーサルな臨界性を示した。
• 長距離的な超伝導秩序が存在しない状況でも、量子臨界点付近に頑健な量子金属状態が存在することが明らかになった。