[논문 리뷰] Electric field control of disorder-tunable superconductivity and the emergence of quantum metal at an oxide interface

Zheng Chen, Yuan Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 13.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 41인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 전기장에 의한 초전도성과 양자 금속성의 제어를 보여주며, LaAlO3/KTaO3(111) 산화물 계면에서 게이트 전압 조절이 전자 밀도의 변화 없이 도우메 모양의 초전도 전이 온도(Tc ~2 K)를 유도함으로써 초전도성 제어를 가능하게 한다. 이는 공간적 전자 분포 설계를 통한 불순물 농도 조절에 기인하며, 초전도체-絕縁체 전이 근처에서 비보편적인 임계 행동을 보이는 양자 금속 상태가 드러남을 시사한다.

ABSTRACT

We report on an extraordinary field effect of the superconducting LaAlO3/KTaO3(111) interface with Tc ~2 K. By applying a gate voltage (VG) across KTaO3, the interface can be continuously tuned from superconducting into insulating states, yielding a dome-shaped Tc-VG dependence. The electric gating has only a minor effect on carrier density as evidenced in the Hall-effect measurement, while it changes spatial profile of the carriers in the interface, hence the carrier's disorder level significantly. As temperature is decreased, the resistance saturates at lowest temperature in both superconducting and insulating sides, despite an initial dramatic dropping or increasing, which suggests an emergence of quantum metallic state associated with failed superconductor and/or fragile insulator. A VG-modulation of the magnetic-field-driven superconductor to insulator quantum phase transition reveals a non-universal criticality.

연구 동기 및 목표

• 불순물 조절 가능성이 있는 산화물 이중층에서 초전도성의 전기장 제어를 탐색한다.
• 초전도체-絕縁체 양자상전이 근처에서 나타나는 양자 금속성 행동의 기원을 조사한다.
• 전자 국소화 및 공간적 분포가 초전도 및 절연 상태 조절에 미치는 역할을 규명한다.
• 두 차원 초전도체에서의 양자 임계 행동의 보편성 여부를 탐구한다.

제안 방법

• KTaO3를 통해 게이트 전압(VG)을 적용하여 LaAlO3/KTaO3(111) 계면의 전자 상태를 조절한다.
• 홀 효과 측정을 통해 VG에 따른 전자 밀도 변화가 최소임을 확인하여, 불순물 농도가 주요 조절 매개변수임을 입증한다.
• 운반체 측정을 통해 저온에서 저항과 Tc가 VG 및 온도의 함수로 변화하는 경향을 분석하여 도우메 모양의 Tc-VG 의존성을 규명한다.
• 초전도 및 절연 영역에서 모두 저온에서 저항이 포화되는 현상은 양자 금속 상태의 존재를 시사한다.
• 다양한 VG 조건에서 자기장에 의한 초전도체-절연체 전이를 조사하여 임계 행동을 평가한다.
• VG 의존성 양자상전이로부터 비보편적인 임계 행동을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기 게이팅이 전자 밀도 변화 없이 LaAlO3/KTaO3(111) 계면에서 초전도성을 어떻게 조절하는가?
• RQ2 전자 불순물 농도와 공간적 분포는 초전도성 및 양자 금속성의 발생에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 초전도체-절연체 양자상전이가 보편적 또는 비보편적인 임계 행동을 나타내는가?
• RQ4 게이팅 조절 조건에서 초전도 및 절연 영역에서 모두 양자 금속 상태가 나타날 수 있는가?

주요 결과

• 게이트 전압(VG)에 대한 초전도 전이 온도(Tc ~2 K)의 도우메 모양 의존성이 관측되어 초전도성의 조절 가능성을 입증한다.
• 홀 측정 결과 VG에 따른 전자 밀도 변화가 미미함을 확인하여, 불순물 농도가 주요 조절 매개변수임을 재확인한다.
• 초전도 및 절연 영역에서 모두 저온에서 저항이 포화되며, 이는 양자 금속 상태의 존재를 시사한다.
• 게이트 전압 조절 조건에서 초전도체-절연체 양자상전이가 비보편적인 임계 행동을 나타낸다.
• 장거리 초전도 오더가 존재하지 않더라도, 양자 임계점 근처에서 견고한 양자 금속 상태가 관찰된다.