Estruturas eletrônicas exclusivas encontradas em interfaces de materiais podem permitir o surgimento de estados quânticos não convencionais. Em um novo relatório sobre Ciência , Changjiang Liu e uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne, A Universidade de Illinois e a Academia Chinesa de Ciências detalharam a descoberta da supercondutividade em gases de elétrons formados nas interfaces entre o tantalato de potássio (KTaO ₃ ) e camadas isolantes de óxido de Europium-II (EUO) ou aluminato de lantânio (LaAlO ₃ ) A temperatura de transição supercondutora de aproximadamente 2,2 K observada neste trabalho foi uma ordem de magnitude maior do que os sistemas anteriores de aluminato de lantânio / titanato de estrôncio. As medições de campo crítico e tensão de corrente indicaram o caráter bidimensional (2-D) da supercondutividade. A equipe observou uma anisotropia de transporte espontânea no avião no EUO / KTaO ₃ amostras antes do início da supercondutividade para sugerir o surgimento de uma fase tipo 'faixa' distinta perto do campo crítico.

Supercondutividade em 2-D

Liu et al. descreveu a supercondutividade 2-D em gases de elétrons formados nas interfaces óxido-isolante / óxido de tantalato de potássio. A supercondutividade em duas dimensões é um tema central na física da matéria condensada e na ciência dos materiais. Em superfícies 2-D, as interações elétron-elétron e elétron-rede que medeiam o emparelhamento podem dar origem a estados que competem com a supercondutividade. Como resultado, apenas uma pequena fração de gás de elétron 2-D (2-DEG) e filmes metálicos ultrafinos são supercondutores. Os pesquisadores já haviam conduzido a maior parte do trabalho fundamental em supercondutividade 2-D usando filmes finos amorfos para reunir conhecimentos profundos sobre a natureza das transições de fase clássicas e quânticas. A supercondutividade 2-D pode ser realizada em materiais cristalinos e interfaces entre materiais cristalinos para permitir aos cientistas perceber e quebrar simetrias para adaptar estruturas eletrônicas de maneiras até então impossíveis em filmes finos amorfos e desordenados. Por exemplo, em um supercondutor 2-D com forte acoplamento spin-órbita e simetria de inversão quebrada, uma interação Rashba pode levar a uma plataforma candidata a realizar os modos Majorana. Três dos exemplos mais proeminentes de supercondutores 2-D em interfaces cristalinas envolvem óxidos de metais de transição com fortes interações elétron-elétron e elétron-rede para mediar o emparelhamento supercondutor.

Tantalato de potássio (KTaO ₃ ou KTO) é um isolante com uma estrutura de perovskita cúbica e uma constante dielétrica que excede 4500 no resfriamento a baixas temperaturas. O material KTO é um substrato 'paraelétrico quântico' devido às flutuações quânticas em baixas temperaturas durante a transição ferroelétrica. Os pesquisadores podem usar gating líquido iônico para ajustar a superfície KTO em um estado supercondutor fraco. Para realizar gás de elétron 2-D (2-DEG) nas interfaces KTO, eles introduziram a clivagem a vácuo, seguido pela exposição à radiação ultravioleta ou síncrotron. Usando estudos de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) na superfície KTO, Liu et al. encontrou uma superfície de Fermi distinta com uma simetria sêxtupla derivada da arquitetura da rede. Eles mediram uma temperatura de transição de até 2,2 K, que eles ajustaram variando a densidade do portador durante o crescimento da amostra. Eles também notaram uma fase de faixa emergente que quebrou a simetria rotacional na superfície KTO.

O experimento

Em seguida, a equipe preparou o gás de elétron 2-D (2-DEG) em tantalato de potássio (KTO) através do crescimento de uma camada de óxido de európio (EUO) via epitaxia de feixe molecular ou aluminato de lantânio (LAO) usando deposição de laser pulsado, que eles confirmaram usando medições de difração de raios-X. Usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução com correção de aberração e microscopia eletrônica de transmissão de varredura, eles detectaram vagas de oxigênio perto da interface EUO / KTO. Quando eles baixaram a temperatura, a interface exibia supercondutividade. Liu et al. As amostras cresceram em diferentes temperaturas e pressões de oxigênio para obter diferentes densidades e mobilidades de portadores. Eles observaram que a supercondutividade 2-D interfacial dependente da orientação cristalográfica observada na interface KTO estava em nítido contraste com os 2-DEGs observados nas interfaces de titanato de estrôncio (STO), onde ocorreu supercondutividade para todas as orientações.

Comportamento da corrente-tensão e geometria de Van der Pauw

A supercondutividade na amostra EUO / KTO também mostrou um comportamento robusto de corrente crítica. À medida que a equipe aumentava a temperatura perto da temperatura de transição, eles notaram um início gradual de um estado resistivo em baixas correntes. Eles interpretaram a evolução da supercondutividade em um supercondutor 2-D em relação a uma transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). De acordo, A desvinculação por corrente de pares antivortex de vórtice criados por flutuações térmicas em temperaturas finitas causou o início de uma tensão de corrente não linear (I-V) no estado supercondutor. Os resultados sugeriram ainda que a supercondutividade 2-D não é homogênea (diversa), onde os elos fracos se juntaram às regiões supercondutoras.

A equipe então observou o aparecimento de uma fase distinta perto do estado supercondutor em amostras EUO / KTO de baixa densidade de portadores e conduziu medições de resistência em uma geometria de van der Pauw; ou seja, uma técnica analítica simples para determinar a resistividade elétrica e a resistência da folha. Quando eles diminuíram a temperatura abaixo de 2,2 K, a resistência aumentou quase 50 por cento para a corrente ao longo do eixo do cristal, enquanto diminuiu 50 por cento para a corrente fluindo em uma direção cristalográfica diferente. O método van der Pauw amplificou a anisotropia de transporte em 2-DEGs de alta mobilidade, sugerindo o surgimento de uma fase distinta que quebrou a simetria rotacional em escalas macroscópicas de comprimento, que persistiu em uma ampla faixa de temperatura de 2,2 K até cerca de 0,7 K. Em temperaturas ainda mais baixas, a resistência nas direções cristalográficas reduziu rapidamente a zero para obter um estado supercondutor.

Características da supercondutividade 2-D

Depois de baixar a temperatura na configuração, Liu et al. observou aumento da resistência devido a poças supercondutoras que inibiram o transporte entre regiões supercondutoras fracamente acopladas. Eles restauraram a supercondutividade global em temperaturas mais baixas via acoplamento Josephson entre essas regiões. Os resultados indicaram que a supercondutividade subjacente é anisotrópica, permitindo que as regiões supercondutoras se organizem em faixas com alinhamento coerente em escalas macroscópicas de comprimento. A dependência do campo magnético da resistência da folha forneceu evidências adicionais para uma fase semelhante a uma faixa anisotrópica. Conforme o campo magnético aumentou, Liu et al. observaram um aumento acentuado na resistência que suprimiu a supercondutividade global ao longo de ambas as direções da corrente. Desta maneira, como os cientistas suprimiram a supercondutividade global usando temperatura ou campos magnéticos, as medições de transporte revelaram uma fase de faixa para produzir grande transporte anisotrópico orientado ao longo de eixos de cristal semelhantes em interfaces KTO e STO (tantalato de potássio e titanato de estrôncio). A equipe de pesquisa propõe a realização de novos experimentos, incluindo aqueles que sondam a estrutura espacial da supercondutividade para entender a natureza da supercondutividade observada e da anisotropia de resistência.

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