[논문 리뷰] Ordered Defects: A Roadmap towards room temperature Superconductivity and Magnetic Order

P. Esquinazi|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 20.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 그래프이트 및 산화물에서의 공 ing된 결함, 예를 들어 원자 결함과 이중차원 인터페이스가 실온에서 강자성 질서와 고임계도 초전도성을 유도할 수 있다고 제안한다. 저에너지 이온 조사로 제어 가능한 결함 배열을 생성함으로써, 연구는 그래프이트와 이중층 그래핀에서 고유한 실온 강자성과 약 17 K까지의 균열 초전도성을 입증한다. 이는 비초전도성 물질에서 결함 공학을 통해 실온 초전도성에 이르는 길을 제시한다.

ABSTRACT

Defects in the atomic lattice of solids are sometimes desired. For example, atomic vacancies, single ones or more elaborated defective structures, can generate localized magnetic moments in a non magnetic crystalline lattice. Increasing their density to a few percent magnetic order can appear. Furthermore, certain two dimensional interfaces can give rise to localized superconductivity with a broad range of critical temperatures. Old and new experimental facts emphasize the need to join efforts to start using systematically "ordered defects" in solids to achieve room temperature superconductivity and magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 비자성 물질에서 고온에서 정렬된 격자 결함이 자성 및 초전도성 질서를 유도할 수 있는지 조사하기.
• 저에너지 이온 조사가 실온에서 그래프이트와 TiO2에 안정적이고 고유한 자성 질서를 생성할 수 있음을 입증하기.
• 비틀어진 이중층 그래핀과 베르날/삼각형 구조 경계와 같은 이중차원 인터페이스가 고임계도 초전도성의 가능성을 어떻게 제공하는지 탐구하기.
• 체계적인 결함 공학을 통해 실온 초전도성 및 자성 특성을 갖는 물질을 설계하기 위한 도표 수립하기.
• 그래프이트 및 유사 시스템에서 결함 유도 초전도성의 근본적인 물리 메커니즘—예를 들어 반 보스-바이오르 스타리스티크와 조지프슨 결합—를 규명하고 특성화하기.

제안 방법

• 저에너지 이온 조사(예: 약 300 eV 프로톤 비임)를 사용해 그래프이트 및 TiO2와 같은 비자성 물질에 제어 가능한 결함 및 결함 클러스터를 생성하기.
• 현미경 및 분광법을 이용해 국소 전자 구조, 자성 모멘트, 결함 부위의 초전도 갭을 탐사하기.
• X선 자기원형흡수분광법(XMCD) 및 NMR을 적용해 Curie 온도가 300 K 이상인 고유하고 장거리 자성 질서를 확인하기.
• 나노구조 이종접합체의 전기적 및 자기저항 특성을 측정하여 자성 인터페이스로 인한 스핀 필터링 및 거대한 양의 자기저항을 탐지하기.
• 아름가오카르-홀퍼린 모델을 사용해 초전도 패치 간의 조지프슨 결합을 식별하기 위해 전류-전압 특성 분석하기.
• 투과형 전자현미경(TEM) 램펠라를 사용해 매립된 인터페이스에 접근하고, 부피 그래프이트 시료에서의 조지프슨 반응 측정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자성 격자에서 정렬된 원자 결함이 실온에서 고유한 자성 질서를 유도할 수 있는가?
• RQ2 비틀어진 이중층 그래핀 또는 베르날/삼각형 구조 경계와 같은 이중차원 인터페이스가 고임계도 초전도성의 가능성을 어떻게 제공하는가?
• RQ3 모리 초구조에서의 반 보스-바이오르 특이점과 밴드 평탄화는 초전도성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 그래프이트에서의 균열 초전도성은 내재적일까 외재적일까, 그리고 결함 농도와 인터페이스 구조에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 저에너지 이온 조사를 산화물 필름에서 수평적 자기이방성의 공학적 방법으로 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 저에너지 프로톤 조사가 실온에서 Curie 온도가 300 K를 초과하는 고유한 장거리 강자성 질서를 부피 그래프이트에 유도하며, XMCD 및 NMR로 확인되었다.
• 그래프이트에서 C-빈점 또는 수소 원자의 농도가 5%일 경우, 원소 특이적 XMCD 및 자화 측정을 통해 실온에서 자성 질서가 발생함을 입증하였다.
• 1.05°의 비틀림 각도를 가진 이중층 그래핀에서, 모리 초구조의 반 보스-바이오르 특이점과 밴드 평탄화와 관련된 임계온도 약 1 K에서 초전도성이 나타났다.
• 균열 초전도성은 부피 그래프이트 시료에서 관측되었으며, 초전도 패치 간의 조지프슨 결합으로 인해 자기장 제거 후 플럭스 잠금 및 잔류 저항이 발생하였다.
• 점접촉 분광법을 통해 표면 부위에서 BCS 유사 초전도 갭이 관측되었으며 임계온도는 14 K로 국소적 초전도성을 시사하였다.
• TiO2 필름에 저에너지 이온 조사를 가하면 안정적인 Ti-이중빈점으로 인해 실온 강자성이 유도되며, 필름 표면에 수직 방향의 자기이방성이 발생하고, 나노구조 영역에서는 수직 자기이방성의 잠재력이 있다.