[論文レビュー] Superconductivity at a Mott-Insulator/Band-Insulator interface: LaTiO/SrTiO3

N. Bergeal, Johan Biscaras+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2010

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、モット絶縁体（LaTiO3）とバンド絶縁体（SrTiO3）の界面で、臨界温度 Tc = 300 mK の超伝導性が示された。超伝導電子系は12 nm 厚の層に閉じ込められており、強い電子相関が存在するにもかかわらず、この相関酸化物ヘテロ構造界面に新規な量子電子相が顕在していることが明らかになった。

ABSTRACT

Transition metal oxides display a great variety of quantum electronic behaviours where correlations often play an important role. The achievement of high quality epitaxial interfaces involving such materials gives a unique opportunity to engineer artificial structures where new electronic orders take place. One of the most striking result in this area is the recent observation of a two-dimensional electron gas at the interface between a strongly correlated Mott insulator LaTiO3 and a band insulator SrTiO3. The mechanism responsible for such a behaviour is still under debate. In particular, the influence of the nature of the insulator has to be clarified. Here we show that despite the expected electronic correlations, LaTiO3/SrTiO3 heterostructures undergo a superconducting transition at a critical temperature Tc=300 mK. We have found that the superconducting electron gas is confined over a typical thickness of 12 nm. We discuss the electronic properties of this system and review the possible scenarios.

研究の動機と目的

• LaTiO3/SrTiO3ヘテロ構造界面の電子的性質を調査すること。
• 強い電子相関が存在するにもかかわらず、モット絶縁体／バンド絶縁体界面で超伝導性が出現するかどうかを特定すること。
• 絶縁体の性質（モット型対比バンド型）が超伝導性の発現に果たす役割を明確にすること。
• 超伝導状態の空間的拡がりと臨界温度を特徴付けること。

提案手法

• 高品質なLaTiO3/SrTiO3ヘテロ構造のエpitaxial成長によるヘテロエpitaxial成長。
• 温度および磁場の関数としての電気的輸送特性の測定。
• 局所プローブ技術を用いて超伝導状態の空間的閉じこめ方を特定すること。
• 抵抗および磁化測定を用いた臨界温度 Tc の分析。
• 相関電子系の理論モデルと界面の挙動を比較すること。
• 構造的および輸送的データのフィッティングを通じて電子系の厚さを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaTiO3に強い電子相関が存在するにもかかわらず、LaTiO3/SrTiO3界面で超伝導性が出現するか？
• RQ2 このヘテロ構造における超伝導転移の臨界温度 Tc は何か？
• RQ3 界面における超伝導電子系の層厚さはどの程度か？
• RQ4 絶縁体の性質（モット型対比バンド型）が超伝導性の出現にどのように影響するか？
• RQ5 この系における超伝導性の主なメカニズムは何か？

主な発見

• LaTiO3/SrTiO3ヘテロ構造で Tc = 300 mK の超伝導転移が観測された。
• 超伝導電子系は界面で約12 nm の空間的拡がりに閉じ込められている。
• LaTiO3に内在する強い電子相関が存在するにもかかわらず、SrTiO3との界面で超伝導性が出現した。
• 界面は二次元電子系を支持しており、超伝導秩序を示した。
• この系は、制御されたヘテロ構造において、超伝導性とモット絶縁体的性質が共存可能であることを示している。
• 結果から、SrTiO3のバンド絶縁体的性質が界面での超伝導性の実現に重要な役割を果たしている可能性が示唆された。