[논문 리뷰] Discovery of two-dimensional anisotropic superconductivity at KTaO$_3$ (111) interfaces

Changjiang Liu, Xi Yan외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 16.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 63인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 유산탄산구리(II) 또는 산화 europium 산화물 층을 가진 (111) 방향 KTaO₃ 인터페이스에서 2차원 이방성 초전도성을 발견하였으며, 초전도 전이 온도는 약 2.2 K에 가까워져 LaAlO₃/SrTiO₃ 시스템보다 훨씬 높다. 초전도성은 두 차원에 국한되어 있으며, 강한 면내 이방성은 초전도 전이 이전에 스트립 형태의 상이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

The unique electronic structure found at interfaces between materials can allow unconventional quantum states to emerge. Here we observe superconductivity in electron gases formed at interfaces between (111) oriented KTaO$_3$ and insulating overlayers of either EuO or LaAlO$_3$. The superconducting transition temperature, approaching 2.2 K, is about one order of magnitude higher than that of the LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ system. Strikingly, similar electron gases at (001) KTaO$_3$ interfaces remain normal down to 25 mK. The critical field and current-voltage measurements indicate that the superconductivity is two dimensional. Higher mobility EuO/KTaO$_3$ (111) samples show a large in-plane anisotropy in transport properties at low temperatures prior to onset of superconductivity, suggesting the emergence of a stripe like phase where the superconductivity is nearly homogeneous in one direction, but strongly modulated in the other.

연구 동기 및 목표

• 고립 산화물 층을 가진 (111) 방향 KTaO₃ 인터페이스에서 2차원 전자 가스에서 초전도성의 발생을 조사하기 위해.
• (001) KTaO₃ 시스템에서 알려진 초전도성과 비교하여 (111) 및 (001) KTaO₃ 방향 간의 초전도성 특성을 비교하기 위해.
• 이 이종구조에서의 초전도 상태의 차원성과 이방성 특성을 규명하기 위해.
• 전송 이방성의 기원과 초전도 전 이성적 전자 배열과의 관계를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착을 이용하여 (111) 방향 KTaO₃ 기판에 에피택셜로 EuO 및 LaAlO₃ 박막을 증착하기 위해.
• 저항도 및 임계 자기장 의존성 측정을 통한 전기적 운반성질 측정을 통해 초전도 전이를 확인하기 위해.
• 면내 및 두께 방향 임계 자기장 이방성 분석을 통해 초전도성이 이중 차원임을 확인하기 위해.
• 저온에서의 전기적 운반성질 측정을 통해 초전도 전이 이전의 정상 상태에서의 면내 이방성을 탐지하기 위해.
• 이동도 및 인터페이스 품질과 이방성 운반성 및 초전도 행동의 발생 간 상관관계 분석을 위해.
• (001) KTaO₃ 및 LaAlO₃/SrTiO₃ 시스템과의 비교를 통해 초전도 반응의 차이점을 부각시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립 산화물 층을 가진 (111) 방향 KTaO₃ 인터페이스에서 초전도성이 발생하는가?
• RQ2 (111) KTaO₃에서의 초전도 전이 온도는 (001) KTaO₃ 또는 LaAlO₃/SrTiO₃ 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 이 (111) 인터페이스에서의 초전도 상태의 차원성과 이방성은 무엇인가?
• RQ4 정상 상태에서 초전도 전에 스트립 형태의 전자 배열과 같은 전자 배열이 존재하는 증거가 있는가?
• RQ5 인터페이스 품질과 전자 이동도는 이방성 초전도성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• EuO 또는 LaAlO₃ 층을 가진 (111) 방향 KTaO₃ 인터페이스에서 초전도성이 관측되었으며, 임계 온도는 약 2.2 K에 가까워졌다.
• (111) KTaO₃에서의 초전도 전이 온도는 LaAlO₃/SrTiO₃ 시스템보다 약 10배 높았다.
• (001) KTaO₃ 인터페이스의 전자 가스는 25 mK까지 정상 상태를 유지하며, 초전도성의 방향 의존성이 뚜렷하다.
• 임계 자기장 및 전류-전압 측정 결과, 초전도성이 이중 차원적 성질을 띤다.
• 고이동도를 가진 EuO/KTaO₃ (111) 시료는 초전도가 발생하기 이전에 저온에서 면내 이방성이 뚜렷하게 나타났다.
• 관측된 이방성은 한 면내 방향에서는 거의 균일한 초전도성과 다른 방향에서는 강한 조절이 일어나는 스트립 형태의 전자 상이 형성되었음을 시사한다.