[论文解读] Nonmonotonic superconductivity and spin-orbit interaction across the phase diagram of the (111) LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ interface

P. K. Rout, Eran Maniv+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 1

一句话总结

本研究揭示了(111)取向LaAlO₃/SrTiO₃界面中超导性与自旋-轨道耦合之间的非单调关系，其中临界温度Tc与自旋-轨道耦合均在相同栅压下达到峰值。平行上临界场超出Chandrasekhar-Clogston极限的增强现象表明，超导性与自旋-轨道效应之间存在非平凡耦合，暗示了非常规配对机制的存在。

ABSTRACT

We measure the gate voltage ($V_g$) dependence of the superconducting properties and the spin-orbit interaction in the (111)-oriented LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ interface. Superconductivity is observed in a dome-shaped region in the carrier density-temperature phase diagram with the maxima of superconducting transition temperature $T_c$ and the upper critical fields lying at the same $V_g$. The spin-orbit interaction determined from the superconducting parameters and confirmed by weak-antilocalization measurements follows the same gate voltage dependence as $T_c$. The correlation between the superconductivity and spin-orbit interaction as well as the enhancement of the parallel upper critical field, well beyond the Chandrasekhar-Clogston limit suggest that superconductivity and the spin-orbit interaction are linked in a nontrivial fashion. We propose possible scenarios to explain this unconventional behavior.

研究动机与目标

• 研究(111)取向LaAlO₃/SrTiO₃异质结中超导性质与自旋-轨道相互作用随栅压的变化行为。
• 确定自旋-轨道耦合强度是否在整个相图中与超导转变温度Tc存在相关性。
• 探究平行上临界场超出Chandrasekhar-Clogston极限的起源。
• 识别氧化物界面中自旋-轨道相互作用与超导性之间非传统的耦合机制。

提出的方法

• 测量(111)-LaAlO₃/SrTiO₃界面中超导转变温度Tc和上临界场随栅压(Vg)的变化。
• 通过上临界场各向异性的超导参数提取自旋-轨道耦合强度。
• 通过对自旋-轨道散射敏感的弱反局域化测量确认自旋-轨道耦合的存在。
• 绘制载流子密度-温度相图，以识别呈穹顶形状的超导区域。
• 比较Tc与自旋-轨道耦合随Vg的变化关系，推断二者之间的相互依赖性。
• 分析平行上临界场，评估其与Chandrasekhar-Clogston极限的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在(111)-LaAlO₃/SrTiO₃界面中，超导转变温度Tc如何随栅压变化？
• RQ2 在相图中，自旋-轨道耦合强度与Tc之间是否存在直接相关性？
• RQ3 为何该体系中平行上临界场会超出Chandrasekhar-Clogston极限？
• RQ4 何种物理机制可解释超导性与自旋-轨道耦合的非单调行为？
• RQ5 弱反局域化测量如何支持自旋-轨道耦合的存在及其随栅压的演化？

主要发现

• 超导性在载流子密度-温度相图中呈现穹顶状区域，Tc在特定栅压下达到峰值。
• 超导转变温度Tc与自旋-轨道耦合强度均表现出相同的栅压依赖性，表明二者存在强烈相关性。
• 平行上临界场超出Chandrasekhar-Clogston极限，暗示存在非平凡的自旋三重态配对或强自旋-轨道耦合效应。
• 弱反局域化测量证实了自旋-轨道耦合的存在及其随栅压的变化，与超导参数一致。
• Tc与自旋-轨道耦合在相同Vg下同时达到峰值，暗示二者之间存在非平凡的相互作用。
• 研究结果挑战了传统的BCS型超导理论，指向涉及自旋-轨道纠缠的新兴配对机制。