[论文解读] Discovery of two-dimensional anisotropic superconductivity at KTaO$_3$ (111) interfaces

Changjiang Liu, Xi Yan+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 63被引用 22

一句话总结

本研究在(111)取向的KTaO₃界面与EuO或LaAlO₃包覆层结合的电子气中发现了二维各向异性超导性，其超导转变温度接近2.2 K——显著高于LaAlO₃/SrTiO₃体系中的值。超导性局限于二维，强烈的面内各向异性表明在超导转变之前存在条纹状相。

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.

研究动机与目标

• 研究在(111)取向的KTaO₃界面与绝缘氧化物包覆层结合的二维电子气中，超导性的出现机制。
• 鉴于已知(001)LaAlO₃/SrTiO₃体系中存在超导性，比较(111)与(001)KTaO₃取向的超导特性。
• 确定这些异质结构中超导态的维度与各向异性。
• 探讨输运各向异性的起源及其与超导性之前电子有序的关系。

提出的方法

• 使用脉冲激光沉积法在(111)取向的KTaO₃衬底上外延生长EuO和LaAlO₃薄膜。
• 测量电输运特性，包括电阻率和临界磁场依赖性，以识别超导转变。
• 分析面内与垂直方向的临界磁场各向异性，以确认超导性的二维特性。
• 利用低温输运测量，在超导转变之前检测正常态中的面内各向异性。
• 关联迁移率与界面质量，以分析各向异性输运与超导行为的出现关系。
• 将结果与已知的(001)KTaO₃及LaAlO₃/SrTiO₃体系进行比较，突出其在超导响应上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在(111)取向的KTaO₃界面与绝缘氧化物包覆层结合时，是否会出现超导性？
• RQ2 (111)KTaO₃中的超导转变温度与(001)KTaO₃或LaAlO₃/SrTiO₃体系相比如何？
• RQ3 这些(111)界面中超导态的维度与各向异性为何？
• RQ4 在正常态中是否存在电子有序的证据，例如条纹状相，先于超导性出现？
• RQ5 界面质量与电子迁移率如何影响各向异性超导性的出现？

主要发现

• 在(111)取向的KTaO₃界面与EuO或LaAlO₃包覆层结合时观察到超导性，其临界温度接近2.2 K。
• (111)KTaO₃中的超导转变温度约为LaAlO₃/SrTiO₃体系的十倍。
• 在(001)KTaO₃界面中，电子气在25 mK下仍保持正常态，表明超导性具有强烈的取向依赖性。
• 临界磁场与电流-电压测量结果证实，该超导性具有二维本质。
• 高迁移率的EuO/KTaO₃ (111)样品在低温下尚未进入超导态时，其输运特性表现出显著的面内各向异性。
• 所观测到的各向异性表明形成了条纹状电子相，其中一个面内方向呈现近乎均匀的超导性，而另一个方向则表现出强烈调制。