[論文レビュー] Nonmonotonic superconductivity and spin-orbit interaction across the phase diagram of the (111) LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ interface

P. K. Rout, Eran Maniv+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、(111)面指向のLaAlO₃/SrTiO₃界面において、超伝導性とスピン軌道相互作用の間に非単調な関係が存在することを明らかにした。両者とも同じゲート電圧でピークに達する。チャンドラセカール＝クロストン限界を超える平行上臨界磁場の増幅は、超伝導性とスピン軌道効果の間の非自明な結合を示しており、標準的な限界を超えた非単純な対称化メカニズムの存在を示唆している。

ABSTRACT

We measure the gate voltage ($V_g$) dependence of the superconducting properties and the spin-orbit interaction in the (111)-oriented LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ interface. Superconductivity is observed in a dome-shaped region in the carrier density-temperature phase diagram with the maxima of superconducting transition temperature $T_c$ and the upper critical fields lying at the same $V_g$. The spin-orbit interaction determined from the superconducting parameters and confirmed by weak-antilocalization measurements follows the same gate voltage dependence as $T_c$. The correlation between the superconductivity and spin-orbit interaction as well as the enhancement of the parallel upper critical field, well beyond the Chandrasekhar-Clogston limit suggest that superconductivity and the spin-orbit interaction are linked in a nontrivial fashion. We propose possible scenarios to explain this unconventional behavior.

研究の動機と目的

• (111)面指向のLaAlO₃/SrTiO₃ヘテロ構造における超伝導特性とスピン軌道相互作用のゲート電圧依存性を調査すること。
• スピン軌道結合が相図全体にわたり超伝導転移温度Tcと相関しているかどうかを特定すること。
• チャンドラセカール＝クロストン限界を超える強化された平行上臨界磁場の起源を探索すること。
• 氧化物界面におけるスピン軌道相互作用と超伝導性を結びつける非単純なメカニズムを同定すること。

提案手法

• (111)-LaAlO₃/SrTiO₃界面における超伝導転移温度Tcおよび上臨界磁場のゲート電圧(Vg)依存性を測定すること。
• 上臨界磁場の異方性といった超伝導パラメータからスピン軌道結合の強さを抽出すること。
• スピン軌道散乱に敏感な弱い反局在測定によりスピン軌道結合を確認すること。
• キャリア密度-温度相図をマッピングし、ドーム型の超伝導領域を特定すること。
• Tcとスピン軌道結合のVg依存性を比較し、それらの相関関係を推察すること。
• 並進上臨界磁場の分析により、チャンドラセカール＝クロストン限界からの逸脱を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (111)-LaAlO₃/SrTiO₃界面における超伝導転移温度Tcは、ゲート電圧によってどのように変化するか？
• RQ2 スピン軌道結合の強さとTcの間には、相図全体にわたり直接相関があるか？
• RQ3 なぜこの系では、平行上臨界磁場がチャンドラセカール＝クロストン限界を超えて強化されているのか？
• RQ4 スピン軌道結合と超伝導性の非単調な振る舞いを説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 弱い反局在測定は、ゲート電圧に応じたスピン軌道結合の存在と変化をどのように裏付けているか？

主な発見

• キャリア密度-温度相図において、ドーム型の超伝導領域が観測され、Tcは特定のゲート電圧でピークに達する。
• 超伝導転移温度Tcとスピン軌道結合の強さの両方が、同じゲート電圧依存性を示しており、強い相関関係があることが示された。
• 並進上臨界磁場がチャンドラセカール＝クロストン限界を超えており、非自明なスピン三重項対称化または強いスピン軌道結合効果を示唆している。
• 弱い反局在測定により、スピン軌道結合の存在とそのゲート電圧依存性が確認され、超伝導パラメータと整合的であった。
• Tcとスピン軌道結合が同じVgで同時にピークに達するという事実は、これら2つの現象の非自明な相互作用を示している。
• 結果は、従来のBCS型超伝導を挑戦し、スピン軌道エンタングルメントを含む発現的対称化メカニズムの存在を示唆している。