[論文レビュー] Magnetism and superconductivity at LAO/STO-interfaces both generated by the Ti 3d interface electrons?

Н. В. Павленко, Thilo Kopp+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2011

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LAO/STO界面における強磁性が二次元電子系に内在するものではなく、SrTiO3 もしくは LaAlO3 層内の酸素空孔によって誘導されるものであると提唱している。密度汎関数理論を用いて、酸素空孔が局在的な強磁性プールを生成することを示し、実験的に観察された超伝導性とスーパー・パラ磁性の共存を説明している。

ABSTRACT

Ferromagnetism and superconductivity are in most cases adverse. However, recent experiments reveal that they coexist at interfaces of LaAlO3 and SrTiO3. We analyze the magnetic state within density functional theory and provide evidence that magnetism is not an intrinsic property of the two-dimensional electron liquid at the interface. We demonstrate that the robust ferromagnetic state is induced by the oxygen vacancies in SrTiO3- or in the LaAlO3-layer. This allows for the notion that areas with increased density of oxygen vacancies produce ferromagnetic puddles and account for the previous observation of a superparamagnetic behavior in the superconducting state.

研究の動機と目的

• 超伝導性とは通常不相性とされるにもかかわらず、LAO/STO界面で観察された強磁性の起源を解明すること。
• 界面に存在する二次元電子系が本質的に磁性を支持しているのか、それとも外部欠陥が原因であるのかを特定すること。
• 酸素空孔が磁性秩序を誘導する役割を明らかにし、超伝導性と強磁性の共存に与える影響を解明すること。

提案手法

• LAO/STO界面の電子構造を、酸素空孔あり・なしの両状態でモデル化するために密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 酸素空孔の存在下でスピン極化および局所的磁気モーメントを分析することで、磁性状態を評価した。
• 界面におけるTi 3d軌道の電子的性質を調査し、磁性を媒介する役割を評価した。
• 酸素空孔濃度が磁性秩序に与える影響をシミュレーションし、強磁性プール形成領域を同定した。
• 欠陥密度や界面条件の変化に伴う強磁性状態の安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAO/STO界面で観察された強磁性は、二次元電子系の本質的性質であるか？
• RQ2 SrTiO3 もしくは LaAlO3 層内の酸素空孔が界面で強磁性秩序を誘導できるか？
• RQ3 酸素空孔は、超伝導状態におけるスーパー・パラ磁性行動の形成にどのように寄与するか？
• RQ4 酸素空孔が存在する際、Ti 3d電子が磁性を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 欠陥誘発の磁性不均一性によって、超伝導性と強磁性の共存を説明できるか？

主な発見

• LAO/STO界面における強磁性は、二次元電子系に内在する性質ではなく、酸素空孔によって誘導されるものである。
• SrTiO3 もしくは LaAlO3 層内の酸素空孔が局在的磁気モーメントを生成し、強磁性プールの形成を引き起こす。
• 酸素空孔の存在が界面で頑健な強磁性状態を安定化させ、スーパー・パラ磁性行動の実験的観察と整合的である。
• Ti 3d界面電子は磁性を直接引き起こさないが、酸素空孔が存在する場合にのみ磁性反応を可能にする。
• 本モデルは、超伝導性と強磁性の共存を、電子的性質の本質的要因ではなく、欠陥誘発の磁性不均一性によって説明できる。