Сверхтекучая жесткость KTaO3

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4625 (2022) Цитировать эту статью

3770 Доступов

7 цитат

90 Альтметрика

Подробности о метриках

После почти двадцати лет интенсивной работы над знаменитой системой LaAlO3/SrTiO3 недавнее открытие сверхпроводящего двумерного электронного газа (2-DEG) в гетероструктурах на основе KTaO3 с ориентацией (111) придаёт новый импульс изучению границ раздела оксидов. Однако, хотя оба интерфейса имеют общие свойства, эксперименты также указывают на важные различия между двумя системами. Здесь мы сообщаем о перестраиваемой затворной сверхпроводимости в 2-ДЭГ, генерируемых на поверхности кристалла KTaO3 с ориентацией (111) путем простого распыления тонкого слоя Al. Мы извлекаем сверхтекучую жесткость 2-DEG и показываем, что ее температурная зависимость согласуется с безузловым сверхпроводящим параметром порядка, имеющим значение зазора, большее, чем ожидалось в рамках простой предельной модели слабой связи БКШ. Сверхпроводящий переход происходит по сценарию Березинского-Костерлица-Таулесса, о котором не сообщалось на интерфейсах на основе SrTiO3. Наше открытие открывает инновационные перспективы для фундаментальной науки, а также для применения устройств в различных областях, таких как спин-орбитроника и топологическая электроника.

Танталат калия KTaO3 представляет собой зонный изолятор с шириной щели 3,6 эВ, сохраняющий кубическую структуру перовскита вплоть до самых низких температур1. Подобно титанату стронция (SrTiO3), это квантовый параэлектрический материал, находящийся на грани сегнетоэлектрической неустойчивости и характеризующийся большой диэлектрической проницаемостью при низкой температуре (ϵr ≃ 5000)1,2. Оба материала можно превратить в металл путем электронного легирования, например, за счет кислородных вакансий. Из-за их общих свойств было высказано предположение, что сверхпроводимость должна возникать и в легированном KTaO3. Однако, хотя сверхпроводимость была открыта более полувека назад в объемном SrTiO33, все попытки вызвать объемную сверхпроводимость в KTaO3 до сих пор не увенчались успехом4. Используя ионное стробирование, Уэно и др. мог генерировать сверхпроводящий 2-ДЭГ на поверхности (001)-KTaO3, хотя и при очень низкой температуре (Tc ≃ 40 мК)5. Более поздние исследования 2-ДЭГ KTaO3 не выявили сверхпроводимости до начала 2021 года, когда в двух статьях сообщалось об открытии сверхпроводящего 2-ДЭГ, образовавшегося на границе раздела (111)-KTaO3 и изолирующих слоев LaAlO3 или EuO6,7. Эмпирическое увеличение Tc с увеличением электронной плотности было предложено с максимальным значением 2,2 К при легировании ≈ 1,04 × 1014e− × cm−2 6, что почти на порядок выше, чем в интерфейсе LaAlO3/SrTiO38. Управление Tc эффектом электрического поля было также продемонстрировано в устройстве с стержнем Холла7, и была получена куполообразная сверхпроводящая фазовая диаграмма, аналогичная фазовой диаграмме интерфейсов на основе SrTiO39,10. После этого открытия интерфейс KTaO3 с ориентацией (110) также оказался сверхпроводящим с Tc ≃ 1 K11. Недавно было высказано предположение, что за спаривание электронов в интерфейсах KTaO3 может отвечать мягкая поперечная оптическая мода, участвующая в квантовом параэлектричестве. Ожидается, что амплитуда связи между этой фононной модой и электронами будет максимальной в ориентации (111) и минимальной в ориентации (001), что могло бы объяснить иерархию Tc, наблюдаемую в этих сверхпроводящих 2-ДЭГ12.

В обычных сверхпроводниках, хорошо описываемых теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), сверхпроводящий переход контролируется разрывом куперовских пар, когда температура превышает энергетический масштаб, установленный сверхпроводящей щелью. Однако в двумерных сверхпроводниках сверхтекучая жесткость, т. е. энергия, связанная с фазовой жесткостью сверхпроводящего конденсата, может быть сравнима с энергией спаривания, что позволяет добиться подавления Tc, обусловленного потерей фазовой когерентности. В этом случае ожидается принадлежность перехода к классу универсальности Березинского-Костерлица-Таулесса (БКТ), где переход контролируется развязыванием топологических пар вихрь-антивихрь13,14,15. Измерения критического магнитного поля в 2-ДЭГ (111)-KTaO3 как в перпендикулярной, так и в параллельной геометрии установили верхнюю границу растяжения 2-ДЭГ в подложке d ≈ 5 нм6. Это меньше сверхпроводящей длины когерентности ξ ≈ 10–15 нм6, что подтверждает нахождение сверхпроводящего 2-ДЭГ в пределах 2D-предела. Кроме того, ожидается, что наличие беспорядка, выявленного в этой системе6,7, также приведет к снижению сверхтекучей жесткости и усилению роли фазовых флуктуаций. Несмотря на то, что измерения вольт-амперных характеристик в исх. 6 может быть совместимо с косвенными признаками перехода БКТ, для правильного решения этой проблемы требуется прямое измерение сверхтекучей жесткости16.