[論文レビュー] Superconductivity above 28 K in single unit cell FeSe films interfaced with GaO$_{2-\delta}$ layer on NdGaO$_{3}$(110)

Haohao Yang, Guanyu Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、酸化ガリウム(II)酸化物-δ終端面を有するNdGaO3(110)基板上に成長した単一ユニットセルFeSe膜において、界面を介した超伝導性の強化が実証された。超伝導転移温度（Tc）の上昇は28 Kに達し、バルクFeSeの8 Kよりも顕著に高い。この強化は、電荷移動による界面電子ドーピングに起因し、走査型透過電子顕微鏡および電子エネルギー損失分光法により確認された。これにより、FeSe/GaO2-δは酸化物界面における高臨界温度超伝導の研究のための新たなプラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

We prepared single unit cell FeSe films on GaO$_{2-\delta}$ terminated perovskite NdGaO$_{3}$(110) substrates and performed ex situ transport and scanning transmission electron microscopy measurements on the FeTe protected films. Our experimental measurements showed that the single unit cell FeSe films interfaced with GaO$_{2-{\delta}}$ layer are electron doped via interface charge transfer. Most importantly, this type of heterostructure can host interface enhanced superconductivity with an onset temperature of about 28 K, which is much higher than the value of 8 K in bulk FeSe. Our work indicates that FeSe/GaO$_{2-{\delta}}$can be a comparative platform with the FeSe/TiO$_{2-{\delta}}$ family for understanding the mechanism of interface enhanced high temperature superconductivity.

研究の動機と目的

• GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)基板が単一ユニットセルFeSe膜に高臨界温度超伝導性を誘発できるかどうかを調査すること。
• バルクFeSeを超える超伝導転移温度（Tc）の向上に寄与する界面電荷移動および電子的構造の役割を明らかにすること。
• FeSe/GaO2-δと既に確立されたFeSe/TiO2-δ系との超伝導特性および界面メカニズムを比較すること。
• GaO2-δを高Tc超伝導ヘテロ構造を設計するための実用的代替酸化物キャッピング層として確立すること。

提案手法

• 超高真空下で分子線エpitaxy（MBE）を用いて、GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)基板上にエpitaxialな単一ユニットセルFeSe膜を成長させた。
• 10% HClを用いた湿式化学エッチングと、930 °Cで酸素ガス雰囲気下での熱アニールを施すことにより、GaO2-δ-terminated表面を調製した。
• 外部測定における大気酸化からのFeSe膜保護のため、10ユニットセルのFeTeキャッピング層を用いた。
• 界面の原子的構造および電荷移動を調査するために、走査型透過電子顕微鏡（STEM）および電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いた。
• 外部測定条件下で磁場を印加した状態での電気的輸送測定を実施し、上臨界磁場（Hc2）、コherence長（ξ）、London透過深さ（Λ）を決定した。
• Ginzburg-Landau理論および抵抗のアレンニウスプロットを用いて、活性化エネルギーを抽出し、London透過深さを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)基板は、バルクFeSeを超えるTcを示す単一ユニットセルFeSe膜に超伝導性を誘発できるか？
• RQ2 FeSe/GaO2-δヘテロ構造における界面電荷移動の性質は何か？ また、それらは超伝導特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 NdGaO3(110)基板上に成長させたFeSeの超伝導挙動は、TiO2-δ-terminated基板上と比較して、Tc、コherence長、および上臨界磁場の観点でどのように異なるか？
• RQ4 界面構造および誘電スクリーニングは、FeSeベースヘテロ構造における超伝導性の強化にどの程度寄与するか？

主な発見

• FeSe/GaO2-δヘテロ構造は、超伝導転移温度（Tc）の上昇が約28 Kに達し、バルクFeSeの8 Kよりも顕著に高い。
• 電子エネルギー損失分光法（EELS）による確認により、界面電子ドーピングが確認され、GaO2-δ層からFeSeへの電荷移動が示唆された。
• ゼロ温度における上臨界磁場（Hc2）は22.5 Tであり、面内コherence長は3.59 nmであった。
• 単一ユニットセルFeSeのLondon透過深さは84 nmと推定され、Ginzburg-Landauパラメータ（κ）が20より大きいタイプII超伝導体であることが示された。
• Tcの厚さ依存性の結果から、FeSeの最初のユニットセルのみが超伝導的であることが判明し、他のFeSe/酸化物系と整合的であった。
• ヴォーテックス活性化エネルギーはln(μ0H)に対して線形に依存し、集団的ヴォーテックスクリープを支持するものであり、透過深さの抽出が妥当であることを裏付けた。