[논문 리뷰] Field-effect control of superconductivity and Rashba spin-orbit coupling in top-gated LaAlO3/SrTiO3 devices

Simon Hurand, A. Jouan외 14명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 03.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 Si₃N₄ 절연체와 Au 상단 게이트를 사용하여 상부 게이팅된 LaAlO₃/SrTiO₃ 이종구조에서 초전도성과 라슈바 스핀오비트 결합(SOC)의 전기장 제어를 실험적으로 입증한다. 게이트 전압을 조절함으로써 시스템은 초전도체-絕縁체 양자상전이를 겪으며, 전자기적 도핑에 따라 라슈바 SOC가 선형적으로 증가하여 단일 산화물 2DEG 시스템에서 초전도성 및 스핀트로닉스 성질을 정밀하고 국소적으로 제어할 수 있다.

ABSTRACT

The recent development in the fabrication of artificial oxide heterostructures opens new avenues in the field of quantum materials by enabling the manipulation of the charge, spin and orbital degrees of freedom. In this context, the discovery of two-dimensional electron gases (2-DEGs) at LAlO3/SrTiO3 interfaces, which exhibit both superconductivity and strong Rashba spin-orbit coupling (SOC), represents a major breakthrough. Here, we report on the realisation of a field-effect LaAlO3/SrTiO3 device, whose physical properties, including superconductivity and SOC, can be tuned over a wide range by a top-gate voltage. We derive a phase diagram, which emphasises a field-effect-induced superconductor-to-insulator quantum phase transition. Magneto-transport measurements indicate that the Rashba coupling constant increases linearly with electrostatic doping. Our results pave the way for the realisation of mesoscopic devices, where these two properties can be manipulated on a local scale by means of top-gates.

연구 동기 및 목표

• 상단 게이팅 구조를 이용하여 LaAlO₃/SrTiO₃ 2DEGs에서 초전도성과 라슈바 스핀오비트 결합(SOC)의 국소적이고 전기적 제어를 달성하고자 한다.
• 배면 게이팅 장치의 한계를 극복하기 위해 캐리어 농도와 SOC를 마이크로미터 이하 척도로 정밀 제어할 수 있도록 하고자 한다.
• 상단 게이트 전압 조절을 통해 초전도체-絕縁체 양자상전이를 유도하고자 한다.
• 산화물 2DEGs에서 게이트 전압, 캐리어 농도, 라슈바 SOC 강도 사이의 정량적 관계를 확립하고자 한다.
• 미래의 메조스코픽 장치에서 초전도성과 스핀오비트 결합이 일관되게 제어되어 토폴로지적 양자 현상이 발생하도록 하고자 한다.

제안 방법

• 아모르프스 라알루마이드 템플릿을 이용해 스트론티아티타늄 산화물 기판 위에 10-µm 너비의 초전도성 홀 바를 형성하고, 펄스 레이저 증착을 통해 8 단위세포 두께의 결정질 LaAlO₃층을 증착하였다.
• 500 nm 두께의 Si₃N₄ 절연체층과 리프오프 리소그래피를 이용해 Au 상단 게이트를 증착하여 국소적 전기적 게이팅을 구현하였다.
• 16 mK에서 동결 냉각기 내에서 저온 전도도 측정을 수행하여 초전도 상태 및 정상 상태 성질을 분석하였다.
• 약한 반국소화 효과 분석과 코헬러 스케일링을 통해 자성의약성에 기인한 약한 반국소화 효과를 분석하여 라슈바 스핀오비트 결합 상수를 추출하였다.
• D’Yakonov-Perel 메커니즘을 적용하여 라슈바 결합 상수 α를 표면 전기장과 캐리어 농도 n과 연관지어 분석하였다.
• 스핀 분리 에너지 ∆SO = 2kFα를 계산하고, α = an + b의 선형 의존성을 통해 게이트 전압과의 관계를 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaAlO₃/SrTiO₃ 2DEGs의 초전도성은 상단 게이트 전극을 통해 넓은 범위로 조절될 수 있는가?
• RQ2 상단 게이트를 통한 전자기적 도핑에 따라 2DEG 내 라슈바 스핀오비트 결합이 변화하는가?
• RQ3 이 시스템에서 상단 게이트 전압 조절을 통해 초전도체-絕縁체 양자상전이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 라슈바 SOC 강도는 표면 전기장과 캐리어 농도에 선형적으로 의존하는가?
• RQ5 스핀 분리 에너지 ∆SO는 게이트 전압에 의해 조절되고 산화물 이종구조에서 정량적으로 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도성의 임계 온도는 Tc ≈ 250 mK이며, 임계 전류는 460 nA로, 임계 전류 밀도는 약 ~500 µA/cm²이다.
• 게이트 전압이 +110 V 이상일 경우 2DEG는 캐리어의 강한 고갈로 인해 절연체 상태로 전이되며, 초전도체-絕縁체 양자상전이가 발생한다.
• 라슈바 스핀오비트 결합 상수 α는 캐리어 농도에 따라 선형적으로 증가하며, α = an + b의 관계를 따르며, 이는 게이트 조절 가능한 SOC를 확인하는 데 기여한다.
• 스핀 분리 에너지 ∆SO는 게이트 전압에 따라 선형적으로 증가하며, 수 몰리전자볼트(meV) 수준으로 크게 증가하여 전통적인 반도체보다 뚜렷한 증가를 보인다.
• 10 K 이하에서는 스핀 분리 에너지가 온도에 독립적이며, 이는 라슈바 메커니즘이 지배적임과 함께 전기적 조절 조건에서도 양자우물 구조가 안정됨을 시사한다.
• D’Yakonov-Perel 메커니즘이 지배적임을 입증하기 위해 캐리어 농도에 대한 α의 선형 의존성과 자화도 전도도에서의 코헬러 스케일링 행동이 관찰되었다.