Estado supercondutor descoberto em interfaces com superfícies KTaO3 orientadas (111), que tem uma estrutura de favo de mel empenada. Os pares de elétrons de Cooper são mostrados em roxo. As medições de transporte sugerem que o estado supercondutor é anisotrópico. Crédito:Laboratório Nacional Anand Bhattacharya / Argonne.
O novo supercondutor interfacial tem novas propriedades que levantam novas questões fundamentais e podem ser úteis para processamento de informações quânticas ou sensoriamento quântico.
As interfaces em sólidos formam a base de grande parte da tecnologia moderna. Por exemplo, os transistores encontrados em todos os nossos dispositivos eletrônicos funcionam controlando os elétrons nas interfaces dos semicondutores. Mais amplamente, a interface entre quaisquer dois materiais pode ter propriedades únicas que são dramaticamente diferentes daquelas encontradas em cada material separadamente, preparando o terreno para novas descobertas.
Como semicondutores, materiais supercondutores têm muitas implicações importantes para a tecnologia, de ímãs para ressonâncias magnéticas para acelerar conexões elétricas ou talvez tornar possível a tecnologia quântica. A grande maioria dos materiais e dispositivos supercondutores são 3D, dando-lhes propriedades que são bem compreendidas pelos cientistas.
Uma das questões fundamentais com materiais supercondutores envolve a temperatura de transição - a temperatura extremamente fria na qual um material se torna supercondutor. Todos os materiais supercondutores em pressões regulares tornam-se supercondutores em temperaturas bem abaixo do dia mais frio lá fora.
Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma nova maneira de gerar supercondutividade 2D em uma interface de material em uma temperatura de transição relativamente alta - embora ainda fria. Este supercondutor interfacial tem novas propriedades que levantam novas questões fundamentais e pode ser útil para processamento de informações quânticas ou sensoriamento quântico.
No estudo, Changjiang Liu, pesquisador de pós-doutorado em Argonne, e colegas, trabalhando em uma equipe liderada pelo cientista de materiais de Argonne, Anand Bhattacharya, descobriram que um novo supercondutor 2D se forma na interface de um isolador de óxido chamado KTaO 3 (KTO). Seus resultados foram publicados online na revista Science em 12 de fevereiro.
Em 2004, os cientistas observaram uma fina folha de elétrons condutores entre dois outros isoladores de óxido, LaAlO 3 (LAO) e SrTiO 3 (STO). Mais tarde, foi mostrado que este material, chamado de gás de elétron 2D (2DEG) pode até mesmo se tornar supercondutor - permitindo o transporte de eletricidade sem dissipar energia. Mais importante, a supercondutividade pode ser ligada e desligada usando campos elétricos, assim como em um transistor.
Contudo, para atingir tal estado supercondutor, a amostra teve que ser resfriada até cerca de 0,2 K - uma temperatura que é próxima do zero absoluto (- 273,15 ° C), requer um aparelho especializado conhecido como refrigerador de diluição. Mesmo com essas baixas temperaturas de transição ( T C ), a interface LAO / STO foi amplamente estudada no contexto da supercondutividade, spintrônica e magnetismo.
Na nova pesquisa, a equipe descobriu que no KTO, a supercondutividade interfacial pode surgir em temperaturas muito mais altas. Para obter a interface supercondutora, Liu, o estudante de pós-graduação Xi Yan e seus colegas de trabalho cultivaram camadas finas de óxido de európio (EuO) ou LAO em KTO usando instalações de crescimento de película fina de última geração em Argonne.
"Esta nova interface de óxido torna a aplicação de dispositivos supercondutores 2D mais viável, "Liu disse." Com sua temperatura de transição de ordem de magnitude mais alta de 2,2 K, este material não precisará de um refrigerador de diluição para ser supercondutor. Suas propriedades únicas levantam muitas questões interessantes. "
Um supercondutor estranho
Surpreendentemente, esta nova supercondutividade interfacial mostra uma forte dependência da orientação da faceta do cristal onde o gás de elétron é formado.
Adicionando ao mistério, medições sugerem a formação de supercondutividade semelhante a faixa em amostras de baixa dopagem, onde riachos de regiões supercondutoras são separados por normais, regiões não supercondutoras. Este tipo de formação de faixa espontânea também é chamada de nematicidade, e geralmente é encontrado em materiais de cristal líquido usados para monitores.
"Realizações eletrônicas de nematicidade são raras e de grande interesse fundamental. Acontece que a sobreposição de EuO é magnética, e o papel desse magnetismo na realização do estado nemático em KTO permanece uma questão em aberto, "Bhattacharya disse.
Em seu artigo na Science, os autores também discutem as razões pelas quais o gás de elétron se forma. Usando microscópios eletrônicos de transmissão de resolução atômica, Jianguo Wen no Center for Nanoscale Materials at Argonne, junto com o grupo do professor Jian-Min Zuo na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, mostraram que os defeitos formados durante o crescimento da camada superior podem desempenhar um papel central.
Em particular, eles encontraram evidências de lacunas de oxigênio e defeitos de substituição, onde os átomos de potássio são substituídos por íons de európio ou lantânio - todos os quais adicionam elétrons à interface e a transformam em um condutor 2D. Usando raios X ultrabright na Advanced Photon Source (APS), Yan junto com os cientistas de Argonne Hua Zhou e Dillon Fong, sondou as interfaces do KTO enterradas sob a camada e observou as assinaturas espectroscópicas desses elétrons extras perto da interface.
"Os kits de ferramentas de raios-X sensíveis à interface disponíveis no APS nos permitem revelar a base estrutural para a formação 2DEG e a dependência incomum da faceta do cristal da supercondutividade 2D. Um entendimento mais detalhado está em andamento, "Zhou disse.
Além de descrever o mecanismo de formação 2DEG, esses resultados apontam o caminho para melhorar a qualidade do gás de elétron interfacial controlando as condições de síntese. Sendo que a supercondutividade ocorre para as camadas de óxido de EuO e LAO que foram testadas até agora, muitas outras possibilidades ainda precisam ser exploradas.
A pesquisa é discutida no artigo "Supercondutividade bidimensional e transporte anisotrópico em KTaO 3 (111) interfaces, " Ciência , DOI:10.1126 / science.aba5511.
