[论文解读] Superconductivity at a Mott-Insulator/Band-Insulator interface: LaTiO/SrTiO3

N. Bergeal, Johan Biscaras+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2010

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 2

一句话总结

本研究在莫特绝缘体（LaTiO3）与能带绝缘体（SrTiO3）的界面处实现了超导性，临界温度 Tc = 300 mK。超导电子气被限制在12 nm厚的层内，尽管存在强烈的电子关联，该关联氧化物异质结界面仍展现出一种新颖的量子电子相。

ABSTRACT

Transition metal oxides display a great variety of quantum electronic behaviours where correlations often play an important role. The achievement of high quality epitaxial interfaces involving such materials gives a unique opportunity to engineer artificial structures where new electronic orders take place. One of the most striking result in this area is the recent observation of a two-dimensional electron gas at the interface between a strongly correlated Mott insulator LaTiO3 and a band insulator SrTiO3. The mechanism responsible for such a behaviour is still under debate. In particular, the influence of the nature of the insulator has to be clarified. Here we show that despite the expected electronic correlations, LaTiO3/SrTiO3 heterostructures undergo a superconducting transition at a critical temperature Tc=300 mK. We have found that the superconducting electron gas is confined over a typical thickness of 12 nm. We discuss the electronic properties of this system and review the possible scenarios.

研究动机与目标

• 研究 LaTiO3/SrTiO3 异质结界面的电子性质。
• 确定在强电子关联存在的前提下，超导性是否会在莫特绝缘体/能带绝缘体界面处出现。
• 阐明绝缘体特性（莫特型与能带型）在实现超导性中的作用。
• 表征超导态的空间范围和临界温度。

提出的方法

• 外延异质外延生长高质量的 LaTiO3/SrTiO3 异质结。
• 测量随温度和磁场变化的电输运性质。
• 利用局域探针技术确定超导态的空间局域化程度。
• 通过电阻率和磁化率测量分析临界温度 Tc。
• 将界面行为与关联电子系统的理论模型进行比较。
• 通过结构与输运数据拟合评估电子气厚度。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管 LaTiO3 中存在强电子关联，LaTiO3/SrTiO3 界面是否仍会出现超导性？
• RQ2 该异质结中超导转变的临界温度 Tc 是多少？
• RQ3 界面处超导电子气层的厚度是多少？
• RQ4 绝缘体的性质（莫特型与能带型）如何影响超导性的出现？
• RQ5 该体系中超导性的主要机制是什么？

主要发现

• 在 LaTiO3/SrTiO3 异质结中观测到 Tc = 300 mK 的超导转变。
• 超导电子气被限制在界面处约 12 nm 的空间范围内。
• 尽管 LaTiO3 本身具有强电子关联，超导性仍可在与 SrTiO3 的界面处出现。
• 界面支持一种表现出超导序的二维电子气。
• 该体系表明，超导性可在受控异质结中与莫特绝缘特性共存。
• 结果表明，SrTiO3 的能带绝缘特性在实现界面处超导性中起关键作用。