O surgimento espontâneo de faixas supercondutoras 1D em uma interface 2D em uma heteroestrutura de óxido
2DEG formado na superfície KTO(110) e medições de transporte em amostras de interface EuO/KTO(110). Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02443-x Estados supercondutores não convencionais são estados de supercondutividade enraizados em processos físicos que não estão em conformidade com a teoria convencional da supercondutividade, nomeadamente a teoria de Bardeen, Cooper e Schrieffer (BCS). Esses estados são caracterizados por interações estreitas entre magnetismo e supercondutividade.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), da Universidade Tsinghua e da Universidade Fudan têm tentado recentemente compreender melhor os mecanismos subjacentes à supercondutividade não convencional. O artigo deles, publicado na Nature Physics , revelou o surgimento espontâneo de um estado supercondutor espacialmente variável em uma heteroestrutura de óxido, especificamente na interface entre KTaO3 e EuO ferromagnético.
"Nosso artigo recente estudou a supercondutividade não convencional na interface entre KTaO orientado a (110)3 (KTO) e EuO ferromagnético", disse Ziji Xiang do USTC, co-autor do artigo, ao Phys.org. "Tanto o KTO quanto o EuO são isolantes, mas sua interface em tal heteroestrutura hospeda gás de elétrons bidimensional (2DEG) que torna-se supercondutor em baixas temperaturas."
O recente estudo desta equipe de pesquisadores teve dois objetivos principais. O primeiro foi revelar novos estados supercondutores em uma heteroestrutura de óxido com uma camada ferromagnética (ou seja, EuO). O segundo foi explorar a evolução da supercondutividade da interface após manipulações experimentais direcionadas, como alterar a densidade do portador (ns ) da interface.
“Nossa pesquisa é inspirada na ideia de que a supercondutividade não convencional geralmente surge próxima ao magnetismo”, disse Xiang. "Em particular, para supercondutores de alta temperatura à base de cobre e ferro, muitos dos mecanismos de emparelhamento supercondutores propostos estão intimamente ligados ao magnetismo; além disso, a interação entre o magnetismo e a supercondutividade pode dar origem a fases mais peculiares da matéria, incluindo o ordem de onda de densidade de par (PDW) com um parâmetro de ordem supercondutor espacialmente oscilante e emparelhamento de momento finito que tem sido um foco intenso de pesquisa recentemente.
A heteroestrutura EuO/KTO examinada por Xiang e seus colegas exibe um forte efeito de proximidade ferromagnética provocado pela camada de EuO. Este efeito o torna uma plataforma ideal para estudar a supercondutividade não convencional.
“O primeiro relatório sobre a supercondutividade na interface EuO/KTO foi publicado em 2021, com foco na interface KTO (111)”, disse Xiang. "Desde então, trabalhamos na interface EuO/KTO (110) (considerando sua melhor qualidade de interface), na qual revelamos o surgimento da supercondutividade bidimensional em um artigo anterior."
Os pesquisadores prepararam as heteroestruturas EuO/KTO(110) usadas em seus experimentos usando uma técnica conhecida como epitaxia por feixe molecular. Eles cultivaram especificamente filmes de EuO em cima de substratos cristalinos simples de KTO orientados para (110).
"Controlando as condições de crescimento, conseguimos obter heteroestruturas com diferentes densidades de portadores interfaciais ns ", disse Xiang. "Em seguida, fabricamos dispositivos Hall-bar padrão para realizar medições de transporte elétrico. Os dispositivos Hall-bar foram especialmente projetados para que a resistência do 2DEG interfacial possa ser medida simultaneamente para duas direções ortogonais de corrente elétrica aplicada:na superfície KTO (110), essas duas direções ortogonais são [001] e [1-10 ]."
Além de realizar experimentos de transporte, os pesquisadores analisaram as heteroestruturas usando uma técnica de magnetometria baseada em um dispositivo de interferência supercondutora de varredura (scanning SQUID), em colaboração com o laboratório liderado pelo Prof. Yihua Wang da Universidade Fudan. Esta técnica permitiu caracterizar as propriedades magnéticas de suas amostras.
Em colaboração com o grupo de pesquisa do Prof. Zheng Liu na Universidade de Tsinghua, os pesquisadores também realizaram uma série de cálculos de primeiros princípios, para melhor compreender suas observações experimentais. Esses cálculos tiveram como objetivo delinear a estrutura da banda eletrônica do 2DEG interfacial.
"Em primeiro lugar, nosso transporte elétrico revelou uma anisotropia no plano altamente incomum do 2DEG supercondutor na interface EuO/KTO(110)", disse Xiang. "Ou seja, tanto a temperatura de transição (Tc ) e o campo crítico superior (Hc2 , o campo magnético no qual a supercondutividade se rompe) parece ser fortemente dependente da direção da corrente elétrica aplicada I; com I paralelo a [001], ambos Tc e Hc2 são maiores que o caso de I paralelo a [1-10]. Essa dependência direcional é muito rara entre os supercondutores."
Resistência da folha medida em um dispositivo Hall-bar fabricado em uma heteroestrutura EuO/KTO(110), destacando o distinto Tc para correntes aplicadas ao longo das direções no plano [001] (símbolos vazios) e [1-10] (símbolos sólidos). Na faixa de temperatura entre o início da resistência zero para as duas direções de corrente (área sombreada em vermelho), propomos que surjam faixas supercondutoras unidirecionais alinhadas ao longo de [001], com apenas um acoplamento fraco entre elas (inserção superior). A supercondutividade 2D global (inserção inferior) é estabelecida a uma temperatura mais baixa (área sombreada em roxo). Crédito:Hua e outros
A varredura de imagens do SQUID revelou a ocorrência de duas transições diamagnéticas sucessivas nas amostras da equipe. Isto sugere que a dependência direcional no transporte que observaram de fato resulta da coexistência submicrométrica de duas fases supercondutoras.
"Com base em nossas descobertas, propomos um cenário em que a fase supercondutora com maior Tc é uma fase de 'faixa' na qual emergem feixes supercondutores unidimensionais (1D) alinhados unidirecionalmente ao longo de [001], "disse Xiang.
"A supercondutividade coerente é desenvolvida pela primeira vez dentro dessas estruturas 1D, dando origem ao Tc dependente da direção e Hc2 . O estabelecimento de supercondutividade 2D em toda a interface ocorre apenas em temperaturas mais baixas."
O segundo resultado central é que a supercondutividade direcional mencionada acima só existe em heteroestruturas com baixa densidade de portadora 2DEG (ns <~8´10
13
cm
-2
). Para 2DEGs com ns mais altos , o Tc e Hc2 nunca mostre qualquer dependência da direção atual. Conseqüentemente, o surgimento da fase de faixa supercondutora proposta deve depender do preenchimento da banda.
"Mais importante ainda, nossas investigações experimentais e teóricas sugerem que o 2DEG está fortemente acoplado ao ferromagnetismo EuO apenas no baixo ns amostras em que a supercondutividade direcional é observada", disse Xiang.
"Devido a este forte acoplamento, as bandas eletrônicas de 2DEG mostram pronunciada polarização de spin. Assim, concluímos que a formação da fase de faixa supercondutora deve estar intimamente relacionada a esse efeito de proximidade ferromagnético aprimorado."
O trabalho recente de Xiang e seus colegas revela um estado supercondutor não convencional induzido pela proximidade com uma heteroestrutura de óxido. Este estado, marcado pelo surgimento espontâneo de faixas supercondutoras 1D em uma interface 2D, serve como exemplo de como as dimensões podem ser reduzidas em estados supercondutores.
"Este fenômeno observado nos lembra da redução de dimensão relatada no supercondutor de alta temperatura de óxido de cobre La2-x Bax CuO4 (x =1/8), em que estados supercondutores 2D se desenvolvem em um sistema tridimensional devido à interação entre supercondutividade e ordens de carga/rotação", disse Xiang.
"Foi sugerido que esses estados supercondutores 2D sejam estados PDW. Então, qual é a natureza das faixas supercondutoras emergentes em nossas heteroestruturas? Elas também são manifestações de uma ordem PDW ou estão associadas a algumas fases supercondutoras ainda mais exóticas?"
Em seus próximos estudos, os pesquisadores tentarão responder a essas importantes questões. As suas descobertas até agora confirmam que o acoplamento com o magnetismo desempenha um papel crucial na realização da supercondutividade não convencional.
No futuro, Xiang e os seus colegas planeiam investigar mais detalhadamente a fase da faixa supercondutora que observaram, para descobrir mais sobre o seu emparelhamento supercondutor subjacente. Isto poderia permitir-lhes compreender melhor como este estado supercondutor exótico pode emergir de bandas electrónicas com uma forte polarização de spin.
"Infelizmente, a presença da camada de EuO impede a aplicação da maioria das sondas espectroscópicas para um estudo direto da interface", acrescentou Xiang. "Temos trabalhado no desenvolvimento de uma técnica que mede a densidade do superfluido na interface. Ao acompanhar a evolução da densidade do superfluido com temperatura variável, podemos obter informações valiosas sobre as propriedades termodinâmicas primárias da fase da faixa supercondutora, que poderiam ser um passo crucial para uma compreensão mais profunda da nova física envolvida."
