[論文レビュー] Field-effect control of superconductivity and Rashba spin-orbit coupling in top-gated LaAlO3/SrTiO3 devices

Simon Hurand, A. Jouan+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Si₃N₄をゲート絶縁体とし、Auをトップゲートとするトップゲート型LaAlO₃/SrTiO₃ヘテロ構造を用いて、超伝導性およびラシュバスピンオービット結合（SOC）のフィールド効果制御を実証した。ゲート電圧を調整することで、超伝導体から絶縁体への量子相転移が発生し、ラシュバSOCは電気的ドーピングに比例して増大する。これにより、1つの酸化物2DEG系において、超伝導およびスピントロニクス的性質を精密かつ局所的に制御可能となる。

ABSTRACT

The recent development in the fabrication of artificial oxide heterostructures opens new avenues in the field of quantum materials by enabling the manipulation of the charge, spin and orbital degrees of freedom. In this context, the discovery of two-dimensional electron gases (2-DEGs) at LAlO3/SrTiO3 interfaces, which exhibit both superconductivity and strong Rashba spin-orbit coupling (SOC), represents a major breakthrough. Here, we report on the realisation of a field-effect LaAlO3/SrTiO3 device, whose physical properties, including superconductivity and SOC, can be tuned over a wide range by a top-gate voltage. We derive a phase diagram, which emphasises a field-effect-induced superconductor-to-insulator quantum phase transition. Magneto-transport measurements indicate that the Rashba coupling constant increases linearly with electrostatic doping. Our results pave the way for the realisation of mesoscopic devices, where these two properties can be manipulated on a local scale by means of top-gates.

研究の動機と目的

• トップゲート構造を用いて、LaAlO₃/SrTiO₃ 2DEGにおける超伝導性およびラシュバスピンオービット結合（SOC）の局所的・静電的制御を達成すること。
• バックゲート型デバイスの制限を克服し、キャリア密度およびSOCのマイクロメートル未満スケールでの制御を可能とすること。
• トップゲート電圧の調整により、超伝導体-絶縁体量子相転移を実証すること。
• 酸化物2DEGにおけるゲート電圧、キャリア密度、ラシュバSOC強度の間の定量的関係を確立すること。
• 将来のミクロスコピックデバイスにおいて、超伝導性とスピンオービット結合をコherently制御し、トポロジカル量子現象を実現すること。

提案手法

• アモルファスなLaAlO₃テンプレートを用い、脈動レーザー堆積法により8ユニットセルの結晶的LaAlO₃層をスルーティングし、SrTiO₃基板上に10-µm幅の超伝導ホールバーを形成した。
• 500 nmのSi₃N₄絶縁体層とリフトオフリソグラフィーを用いたAuトップゲートを堆積し、局所的静電的ゲーティングを実現した。
• 16 mKのデュアルフリーザー内での低温輸送測定により、超伝導状態および通常状態の性質を評価した。
• 弱い反局在効果およびKohlerスケーリング解析を用いて、磁気輸送測定からラシュバスピンオービット結合定数を抽出した。
• D’Yakonov-Perel機構を適用し、ラシュバ結合定数αが界面電場およびキャリア密度nと関係することを示した。
• スピン分裂エネルギー∆SO = 2kFαを計算し、α = an + bの線形依存関係を通じてゲート電圧と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaAlO₃/SrTiO₃ 2DEGにおける超伝導性は、トップゲート電極を用いて広範囲にチューニング可能か？
• RQ2 ラシュバスピンオービット結合は、トップゲートによる電気的ドーピングに応じて変化するか？
• RQ3 この系において、トップゲート電圧によって超伝導体-絶縁体量子相転移が誘発可能か？
• RQ4 ラシュバSOC強度は、界面電場およびキャリア密度に線形的に依存するか？
• RQ5 スピン分裂エネルギー∆SOは、ゲート電圧によってチューニング可能であり、酸化物ヘテロ構造において定量的に関連づけられるか？

主な発見

• 超伝導性の臨界温度はTc ≈ 250 mKであり、臨界電流は460 nAで、臨界電流密度は約500 µA/cm²に相当する。
• +110 V以上のゲート電圧で、キャリアの強い枯渇により2DEGが絶縁体的性質を示し、超伝導体-絶縁体量子相転移が誘発された。
• ラシュバスピンオービット結合定数αはキャリア密度に比例し、α = an + bに従うことが確認され、ゲートでチューナブルなSOCが実証された。
• スピン分裂エネルギー∆SOはゲート電圧に比例して増大し、数meVに達する。これは、従来の半導体と比較して顕著に大きい。
• 10 K未満の温度領域でスピン分裂エネルギーは温度に依存せず、ラシュバ機構が支配的であり、静電的チューニング下でも量子井戸構造が安定していることが示された。
• D’Yakonov-Perel機構が支配的であることが、αのキャリア密度依存性および磁気伝導度におけるKohlerスケーリング行動から裏付けられた。