Esquemas de la superficie KTO (111), Caracterizaciones de XANES y STEM. (A) Estructura de celosía de KTaO3. Los tamaños relativos de los iones se eligen para enfatizar los átomos de Ta. Los tres planos adyacentes (111) que contienen iones Ta5 + están coloreados en violeta claro, azul y verde, respectivamente. (B) Distribución de iones Ta5 + vista a lo largo del eje del cristal [111]. Los iones Ta5 + se muestran con tamaños progresivamente más pequeños en los tres planos adyacentes (111), que están etiquetados como Ta - I, Ta - II y Ta - III, respectivamente. Las líneas continuas entre los iones Ta5 + indican la distancia relativa o la fuerza del acoplamiento; las líneas más gruesas representan acoplamientos más fuertes. dando lugar a una celosía de panal pandeado para la primera bicapa que comprende los sitios Ta-I y Ta-II. (C) Datos XANES de la muestra EuO / KTO (111) _4 en Ta Ledge. El KTO cerca de la superficie se reduce solo ligeramente, con Ta valencia cercana a su valor global (5+). Los datos de XANES para Ta puro también se muestran a modo de comparación. Imágenes STEM de las interfaces (D) EuO / KTO (111) y (E) LAO / KTO (111), mirando hacia abajo en la dirección [110]. El cuadro verde indica la región cercana a la interfaz. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aba5511
Las estructuras electrónicas únicas que se encuentran en las interfaces de materiales pueden permitir que emerjan estados cuánticos no convencionales. En un nuevo informe sobre Ciencias , Changjiang Liu y un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Argonne, La Universidad de Illinois y la Academia de Ciencias de China detallaron el descubrimiento de la superconductividad en gases de electrones formados en las interfaces entre tantalato de potasio (KTaO 3 ) y capas aislantes de óxido de europio-II (EUO) o aluminato de lantano (LaAlO 3 ). La temperatura de transición superconductora cercana a 2,2 K observada en este trabajo fue un orden de magnitud mayor que la de los sistemas anteriores de aluminato de lantano / titanato de estroncio. Las mediciones de campo crítico y corriente-voltaje indicaron el carácter bidimensional (2-D) de la superconductividad. El equipo notó una anisotropía de transporte en avión espontánea en EUO / KTaO 3 muestras antes del inicio de la superconductividad para sugerir la aparición de una fase distinta como una "franja" cerca del campo crítico.
Superconductividad en 2-D
Liu y col. describió la superconductividad 2-D en gases de electrones formados en las interfaces óxido-aislante / óxido de tantalato de potasio. La superconductividad en dos dimensiones es un tema central en la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales. En superficies 2-D, las interacciones electrón-electrón y electrón-red que median el emparejamiento pueden dar lugar a estados que compiten con la superconductividad. Como resultado, sólo una pequeña fracción de gas de electrones 2-D (2-DEG) y películas metálicas ultrafinas son superconductoras. Los investigadores habían realizado previamente la mayor parte del trabajo fundamental en superconductividad 2-D utilizando películas delgadas amorfas para recopilar conocimientos profundos sobre la naturaleza de las transiciones de fase clásica y cuántica. La superconductividad 2-D se puede realizar en materiales cristalinos e interfaces entre materiales cristalinos para permitir a los científicos realizar y romper simetrías para adaptar estructuras electrónicas de formas hasta ahora imposibles en películas delgadas amorfas y desordenadas. Por ejemplo, en un superconductor 2-D con fuerte acoplamiento espín-órbita y simetría de inversión rota, una interacción Rashba puede conducir a una plataforma candidata para realizar modos Majorana. Tres de los ejemplos más destacados de superconductores 2-D en interfaces cristalinas involucran óxidos de metales de transición con fuertes interacciones electrón-electrón y electrón-red para mediar el apareamiento superconductor.
Medidas de transporte de 2DEG formados en diferentes interfaces KTO. (A) Dependencia de la temperatura metálica de la resistencia laminar de muestras de EuO / KTO (111) y (001) medidas de 300 K a 4 K. (B) La medición a temperaturas más bajas muestra transiciones superconductoras en muestras de EuO / KTO (111) (corriente a lo largo de [11 2]) con diferentes densidades de portadora, que se determinan a partir de la medición de Hall en T =10 K para las muestras EuO / KTO (111) _1, 2 y 3. La densidad de portadores en EuO / KTO (111) _4 se estima a partir de la condición de crecimiento. (C) Medidas similares en muestras de LAO / KTO (111) también muestran superconductividad. (D) No se observa superconductividad en muestras con interfaces KTO orientadas (001) con superposiciones de EuO o LAO hasta 25 mK. El rango de la densidad del portador es similar al de las muestras orientadas (111) que se muestran en (B) y (C). Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aba5511 
Tantalato de potasio (KTaO 3 o KTO) es un aislante con una estructura cúbica de perovskita y una constante dieléctrica que supera los 4500 al enfriarse a bajas temperaturas. El material KTO es un sustrato "paraeléctrico cuántico" debido a las fluctuaciones cuánticas a bajas temperaturas durante la transición ferroeléctrica. Los investigadores pueden utilizar la compuerta de líquido iónico para ajustar la superficie KTO a un estado superconductor débil. Para realizar gas de electrones 2-D (2-DEG) en las interfaces KTO, introdujeron la aspiradora, seguido de exposición a radiación ultravioleta o sincrotrón. Utilizando estudios de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) en la superficie KTO, Liu y col. encontró una superficie de Fermi distinta con una simetría de seis veces derivada de la arquitectura de celosía. Midieron una temperatura de transición de hasta 2,2 K, que sintonizaron variando la densidad del portador durante el crecimiento de la muestra. También notaron una fase de franjas emergente que rompió la simetría rotacional en la superficie KTO.
Mediciones de campo crítico y corriente-voltaje en la muestra EuO / KTO (111) _3. (A, B) Resistencia de la hoja medida a diferentes temperaturas en función de los campos magnéticos fuera del plano y en el plano, respectivamente. (C) Dependencia de la temperatura de los campos críticos, que se determinan en la mitad de RN (línea horizontal punteada en (A) y (B)). (D) Curvas I-V medidas a diferentes temperaturas. (E) Curvas I-V trazadas en una escala logarítmica utilizando los mismos códigos de color que en (D). Las líneas negras continuas son ajustes lineales a los datos. La línea discontinua roja es V ∝ I3, que se utiliza para inferir la temperatura de transición BKT. (F) Histéresis de las curvas I-V cerca de la corriente crítica medida a temperaturas por debajo de Tc0. En todas las medidas (A) - (F), la corriente se aplica a lo largo de la dirección [112]. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aba5511
El experimento
A continuación, el equipo preparó el gas de electrones 2-D (2-DEG) en tantalato de potasio (KTO) mediante el cultivo de una capa de óxido de europio (EUO) mediante epitaxia de haz molecular o aluminato de lantano (LAO) mediante deposición por láser pulsado, que confirmaron mediante mediciones de difracción de rayos X. Utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución con corrección de aberraciones y microscopía electrónica de transmisión de barrido, detectaron vacantes de oxígeno cerca de la interfaz EUO / KTO. Cuando bajaron la temperatura, la interfaz mostró superconductividad. Liu y col. cultivaron las muestras a diferentes temperaturas y presiones de oxígeno para obtener diferentes densidades y movilidades de portadores. Observaron que la superconductividad 2-D interfacial dependiente de la orientación cristalográfica observada en la interfaz KTO estaba en marcado contraste con los 2-DEG observados en las interfaces de titanato de estroncio (STO), donde se produjo la superconductividad para todas las orientaciones.
Comportamiento corriente-voltaje y geometría de Van der Pauw
La superconductividad en la muestra EUO / KTO también mostró un comportamiento de corriente crítica robusto. A medida que el equipo elevó la temperatura cerca de la temperatura de transición, notaron un inicio gradual de un estado resistivo a bajas corrientes. Interpretaron la evolución de la superconductividad en un superconductor 2-D en relación con una transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). Respectivamente, La disociación impulsada por la corriente de pares de vórtice anti-vórtice creados por fluctuaciones térmicas a temperaturas finitas causó el inicio de una corriente-voltaje no lineal (I-V) en el estado superconductor. Los resultados sugirieron además que la superconductividad 2-D no es homogénea (diversa), donde los eslabones débiles se unieron a las regiones superconductoras.
Fase de franjas medida en diferentes muestras de EuO / KTO (111). (A) Resistencia laminar de la muestra EuO / KTO (111) _5 medida con corriente eléctrica a lo largo de los ejes de cristal [110] (rojo) y [11 2] (azul) bajo campo cero. La región azul claro y verde indican el estado superconductor (SC) y "raya", respectivamente. (B) Ilustración de la geometría de medición para el caso de la corriente (flecha roja) a lo largo de la dirección [110] perpendicular a las franjas. Estas franjas pueden estar compuestas por pares de Cooper, que se muestran en burbujas de color azul claro. (C) - (F) Dependencia del campo magnético de la resistencia de la hoja medida a lo largo de ambas direcciones de la corriente a T =0,1 K en muestras con movilidades decrecientes. La fase de franjas se revela en todas las muestras alrededor del campo crítico (región verde). Tenga en cuenta que EuO / KTO (111) _2 tiene un Tc más alto que EuO / KTO (111) _3, pero también muestra una anisotropía de transporte más prominente. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aba5511
Luego, el equipo notó la aparición de una fase distinta cerca del estado superconductor en muestras de EUO / KTO de baja densidad de portadores y realizó mediciones de resistencia en una geometría de van der Pauw; es decir., una técnica analítica simple para determinar la resistividad eléctrica y la resistencia de la hoja. Cuando disminuyeron la temperatura por debajo de 2,2 K, la resistencia aumentó en casi un 50 por ciento para la corriente a lo largo del eje del cristal, mientras que disminuyó en un 50 por ciento para la corriente que fluye en una dirección cristalográfica diferente. El método de van der Pauw amplificó la anisotropía de transporte en 2-DEG de alta movilidad, lo que sugiere la aparición de una fase distinta que rompió la simetría rotacional a través de escalas de longitud macroscópicas. que persistió en un amplio rango de temperatura desde 2,2 K hasta aproximadamente 0,7 K.A temperaturas aún más bajas, la resistencia en direcciones cristalográficas se redujo rápidamente a cero para obtener un estado superconductor.
Características de la superconductividad 2-D
Después de bajar la temperatura en la configuración, Liu y col. observó una mayor resistencia debido a los charcos superconductores que inhibían el transporte entre regiones superconductoras débilmente acopladas. Restauraron la superconductividad global a temperaturas más bajas a través del acoplamiento de Josephson entre estas regiones. Los resultados indicaron que la superconductividad subyacente era anisotrópica, permitiendo que las regiones superconductoras se organicen en franjas con alineación coherente a través de escalas de longitud macroscópicas. La dependencia del campo magnético de la resistencia laminar proporcionó una evidencia adicional de una fase anisotrópica similar a una banda. A medida que aumentaba el campo magnético, Liu y col. observó un fuerte aumento en la resistencia que suprimió la superconductividad global a lo largo de ambas direcciones de la corriente. De este modo, como los científicos suprimieron la superconductividad global usando temperatura o campos magnéticos, las mediciones de transporte revelaron una fase de franjas para producir un gran transporte anisotrópico orientado a lo largo de ejes cristalinos similares en las interfaces KTO y STO (tantalato de potasio y titanato de estroncio). El equipo de investigación propone realizar más experimentos, incluidos los que sondean la estructura espacial de la superconductividad para comprender la naturaleza de la superconductividad observada y la anisotropía de resistencia.
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