科学:各向异性氧化物界面超导

材料的表面和界面往往表现出一些与体内完全不同的物理性质。2004年，科学家发现在同样绝缘的SrTiO3 _ 3表面生长绝缘的LaAlO3 _ 3薄膜层时，在界面处意外发现了非常高的电导率。发现在界面处产生额外的电荷载流子，由于量子限制，这些载流子的行为类似于二维电子气。当样品被稀释制冷机冷却到很低的温度(0.2 K附近)时，二维电子气发生超导相变(电阻为零)，形成二维超导体。在随后的十年里，这个基于SrTiO3 _ 3的氧化物界面超导系统开创了许多研究分支。

最近，阿贡国家实验室的研究团队报告了一种新的具有氧化物界面的二维超导系统。博士后研究员刘长江发现单晶氧化物KTaO3(KTO)表面形成的二维电子气在2.2 K附近出现超导..超导临界温度比基于钛酸锶(STO)的界面系统高10倍。这一温度范围可以在不稀释制冷设备的情况下实现，为今后二维超导电子器件的实验研究和开发利用提供了极大的便利。同时，实验上观察到KTO界面超导具有一些不寻常的奇异性质，为二维超导机制的研究提供了新的平台。2021，65438+10，21，研究工作以首次发布的形式发表在网络杂志《科学》上，题目为《ktao 3 (11)界面处的二维超导与动物输运》。

图1，在EuO/KTO (111)样品中观察到超导电性。

KTO和STO这两个经典的钙钛矿体系有许多相似之处。都是带隙绝缘体，随着温度的降低介电常数会增加很多。Ta是KTO中的5d族元素，有很大的自旋轨道耦合(比STO大一个数量级)，所以在KTO的能带中有更大的自旋分裂。图1是实验中在KTO界面测得的超导转变。四个EuO/KTO样品具有不同的载流子浓度和相应的超导临界温度。

图2显示在LAO/KTO (111)表面也观察到了超导性。

发现超导态的形成与KTO表面生长的氧化膜类型无关。在这项研究中，EuO和LaAlO3 (LAO)氧化物涂层用于产生二维电子气。发现利用LAO氧化层在二维电子气中也能发生超导相变(图2)。这一结果给实验研究带来了极大的便利。研究人员可以根据薄膜生长设备选择合适的涂层材料。

图3，二维超导的示意图

研究人员通过测量超导态的面内和面外临界磁场以及临界电流下的BKT相变，证实了KTO界面的超导态完全是二维的。图3示出了二维超导性的图像。实验中一个样品获得的超导态厚度约为5 nm，小于其超导相干长度13 nm。

图4。EuO/KTO界面附近原子结构的表征

进一步的研究表明，KTO界面的超导电性具有一些不寻常的特征。首先，超导态的形成非常依赖于KTO表面的晶体学取向。发现KTO(111)面上的电子气可以发生超导相变，但在(001)面上制备二维电子气时，(载流子浓度与(111)面基本相同)。这种晶体学取向依赖现象与劳/STO系统非常不同。在劳/STO系统中，界面超导电性的出现与STO的晶面取向无关。研究人员使用扫描透射电子显微镜(STEM)(图4)和电子能量损失光谱(EELS)来表征不同KTO界面的结构和化学成分。结果表明，氧空位在KTO界面的几个原子层中形成，一些Eu或La元素出现在K原子位置。这些掺杂过程促进了界面处巡航电子的形成。当比较(111)和(001)取向的样品时，研究人员发现它们的界面元素相似。所以超导的出现和界面化学元素关系不大。

在结构上，KTO(111)面上的Ta原子排列成六边形蜂窝状，类似于石墨烯。KTO(111)表面的电子气有一个独特的费米面，有六个对称性，是ARPES发现的。也许在KTO(111)面上发现的超导性与这种特殊的电子能带结构有关。比如2018在角落双层石墨烯中发现的超导性，就与魔角处的能带结构密切相关。目前，KTO界面超导的机理还需要进一步的理论研究和论证。

图5，面内输运的自发对称性破缺

另一个奇怪的现象是EuO/KTO(111)样品输运性质的自发面内对称性破缺。这种现象在载流子浓度较低的样品中尤为明显。图5示出了当温度从高温下降到大约2.2 K时，沿着面内方向[1 -1 0]和[1 1 -2]的电阻非常不同。具体来说，沿[1 -1 0]晶向电流测得的电阻(红色数据)突然增大，而沿[1 1 -2]方向的电阻自发减小。在一个温度范围内(绿色背景)，系统具有很大的各向异性。从现象上看，这种现象可以理解为(111)面上电子态自发形成的条纹相位调制结构。平行条纹和垂直条纹的电阻差别很大。当温度继续降低时，沿两个晶向的电阻最终降为零，进入完全超导状态。

图6，各向异性超导的示意图

发现条纹相位最终会随着外磁场的增大而被抑制，得到一个各向同性的正常态。目前，该平面自发对称性破缺的机制尚不清楚。图6描绘了一个可能的物理图像。KTO (111)面上的超导相干强度可能是各向异性的。沿着扶手椅([1 1 -2])侧(图中垂直方向)，超导具有更强的相干性。在图中用浅蓝色条纹表示。这样，在系统形成全局超导态之前，沿着条纹和垂直条纹会有非常不同的输运性质。研究人员认为，条纹相的机制需要更多的实验研究，例如利用局域电子结构和磁探测技术(例如STM、nano-ARPES或扫描SQUID)来观察超导电子气在空间中是否存在调制的超导能隙或磁矩分布。另外，值得注意的是，最近的理论计算已经预言KTO(111)面是实现一种可能的拓扑超导态的良好平台。后续的相关研究工作非常值得关注。

这项工作是由几个研究机构的研究小组的一些科学家完成的。包括来自阿贡国家实验室材料科学部的刘长江博士(第一个和通讯作者)、颜夕博士(同样的工作)、Dillon Fong博士和Anand Bhattacharya博士(通讯作者)。此外，美国先进同步辐射光源(APS)的博士、国家纳米材料中心的金博士、温建国博士、周博士和林育林博士、美国伊利诺伊大学香槟分校的左建民教授、中国科学院物理研究所的孙研究员和北京大学量子材料中心的教授也参与了该项目。

纸质链接:

https://science . science mag . org/content/early/2021/01/21/science . ABA 5511？rss=1