Estado superconductor descubierto en interfaces con superficies KTaO3 orientadas (111), que tiene una celosía alveolar abrochada. Los pares de electrones de Cooper se muestran en púrpura. Las mediciones de transporte sugieren que el estado superconductor es anisotrópico. Crédito:Anand Bhattacharya / Laboratorio Nacional Argonne.
El nuevo superconductor interfacial tiene propiedades novedosas que plantean nuevas preguntas fundamentales y podrían ser útiles para el procesamiento de información cuántica o la detección cuántica.
Las interfaces en sólidos forman la base de gran parte de la tecnología moderna. Por ejemplo, Los transistores que se encuentran en todos nuestros dispositivos electrónicos funcionan controlando los electrones en las interfaces de los semiconductores. Mas ampliamente, la interfaz entre dos materiales puede tener propiedades únicas que son dramáticamente diferentes de las que se encuentran dentro de cada material por separado, preparando el escenario para nuevos descubrimientos.
Como semiconductores, Los materiales superconductores tienen muchas implicaciones importantes para la tecnología, desde imanes para resonancias magnéticas hasta acelerar las conexiones eléctricas o quizás hacer posible la tecnología cuántica. La gran mayoría de los materiales y dispositivos superconductores son 3D, dándoles propiedades que los científicos comprenden bien.
Una de las cuestiones fundamentales con los materiales superconductores tiene que ver con la temperatura de transición, la temperatura extremadamente fría a la que un material se vuelve superconductor. Todos los materiales superconductores a presiones regulares se vuelven superconductores a temperaturas muy por debajo del día más frío del exterior.
Ahora, Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. han descubierto una nueva forma de generar superconductividad 2D en una interfaz de material a una temperatura de transición relativamente alta, aunque todavía fría. Este superconductor interfacial tiene propiedades novedosas que plantean nuevas preguntas fundamentales y podría ser útil para el procesamiento de información cuántica o la detección cuántica.
En el estudio, El investigador postdoctoral de Argonne Changjiang Liu y sus colegas, trabajando en un equipo dirigido por el científico de materiales de Argonne Anand Bhattacharya, han descubierto que se forma un nuevo superconductor 2D en la interfaz de un aislante de óxido llamado KTaO 3 (KTO). Sus resultados fueron publicados en línea en la revista Science el 12 de febrero.
En 2004, Los científicos observaron una delgada capa de electrones conductores entre otros dos aislantes de óxido, LaAlO 3 (LAO) y SrTiO 3 (STO). Más tarde se demostró que este material, llamado gas de electrones 2D (2DEG) puede incluso convertirse en superconductor, lo que permite el transporte de electricidad sin disipar energía. En tono rimbombante, la superconductividad podría activarse y desactivarse mediante campos eléctricos, como en un transistor.
Sin embargo, para lograr tal estado superconductor, la muestra tuvo que enfriarse a aproximadamente 0,2 K, una temperatura cercana al cero absoluto (- 273,15 ° C), requiriendo un aparato especializado conocido como refrigerador de dilución. Incluso con temperaturas de transición tan bajas ( T C ), la interfaz LAO / STO se ha estudiado en profundidad en el contexto de la superconductividad, espintrónica y magnetismo.
En la nueva investigación, el equipo descubrió que en KTO, La superconductividad interfacial podría surgir a temperaturas mucho más altas. Para obtener la interfaz superconductora, Liu, El estudiante graduado Xi Yan y sus compañeros de trabajo cultivaron capas delgadas de óxido de europio (EuO) o LAO en KTO utilizando instalaciones de crecimiento de película delgada de última generación en Argonne.
"Esta nueva interfaz de óxido hace que la aplicación de dispositivos superconductores 2D sea más factible, ", Dijo Liu." Con su temperatura de transición de orden de magnitud más alta de 2,2 K, este material no necesitará un refrigerador de dilución para ser superconductor. Sus propiedades únicas plantean muchas preguntas interesantes ".
Un superconductor extraño
Asombrosamente, esta nueva superconductividad interfacial muestra una fuerte dependencia de la orientación de la faceta del cristal donde se forma el gas de electrones.
Añadiendo al misterio, Las mediciones sugieren la formación de superconductividad similar a una franja en muestras de dopaje inferior donde los riachuelos de las regiones superconductoras están separados por normal, regiones no superconductoras. Este tipo de formación de franjas espontáneas también se llama nematicidad, y generalmente se encuentra en materiales de cristal líquido utilizados para pantallas.
"Las realizaciones electrónicas de la nematicidad son raras y de gran interés fundamental. Resulta que la superposición de EuO es magnética, y el papel de este magnetismo en la realización del estado nemático en KTO sigue siendo una cuestión abierta, "Dijo Bhattacharya.
En su artículo de ciencia, los autores también discuten las razones por las que se forma el gas de electrones. Utilizando microscopios electrónicos de transmisión de resolución atómica, Jianguo Wen en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, junto con el grupo del profesor Jian-Min Zuo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, mostró que los defectos formados durante el crecimiento de la superposición pueden desempeñar un papel central.
En particular, encontraron evidencia de vacantes de oxígeno y defectos de sustitución, donde los átomos de potasio son reemplazados por iones de europio o lantano, todos los cuales agregan electrones a la interfaz y la convierten en un conductor 2D. Usando rayos X ultrabrillantes en la Fuente de Fotones Avanzada (APS), Yan junto con los científicos de Argonne Hua Zhou y Dillon Fong, sondeó las interfaces de KTO enterradas bajo la superposición y observó firmas espectroscópicas de estos electrones adicionales cerca de la interfaz.
"Los kits de herramientas de rayos X sensibles a la interfaz disponibles en el APS nos permiten revelar la base estructural de la formación 2DEG y la dependencia inusual de la faceta cristalina de la superconductividad 2D. Se está realizando una comprensión más detallada, "Dijo Zhou.
Más allá de describir el mecanismo de formación de 2DEG, estos resultados señalan el camino para mejorar la calidad del gas de electrones interfaciales controlando las condiciones de síntesis. Dado que la superconductividad ocurre tanto para las capas de óxido de EuO como de LAO que se han probado hasta ahora, quedan muchas otras posibilidades por explorar.
La investigación se analiza en el artículo "Superconductividad bidimensional y transporte anisotrópico en KTaO 3 (111) interfaces, " Ciencias , DOI:10.1126 / science.aba5511.
