Les structures électroniques uniques trouvées aux interfaces des matériaux peuvent permettre l'émergence d'états quantiques non conventionnels. Dans un nouveau rapport sur Science , Changjiang Liu et une équipe de recherche du Laboratoire national d'Argonne, L'Université de l'Illinois et l'Académie chinoise des sciences ont détaillé la découverte de la supraconductivité dans les gaz d'électrons formés aux interfaces entre le tantalate de potassium (KTaO 3 ) et des surcouches isolantes d'oxyde Europium-II (EUO) ou d'aluminate de lanthane (LaAlO 3 ). La température de transition supraconductrice approchant 2,2 K observée dans ce travail était d'un ordre de grandeur plus élevée que les systèmes précédents d'aluminate de lanthane/titanate de strontium. Les mesures de champ critique et de courant-tension ont indiqué le caractère bidimensionnel (2-D) de la supraconductivité. L'équipe a noté une anisotropie spontanée de transport dans le plan dans l'EUO/KTaO 3 échantillons avant le début de la supraconductivité pour suggérer l'émergence d'une phase distincte semblable à une « bande » près du champ critique.

La supraconductivité en 2D

Liu et al. ont décrit la supraconductivité 2-D dans les gaz d'électrons formés aux interfaces oxyde-isolant/oxyde de tantalate de potassium. La supraconductivité en deux dimensions est un thème central de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux. Dans les surfaces 2D, les interactions électron-électron et électron-réseau qui interviennent dans l'appariement peuvent donner naissance à des états qui entrent en compétition avec la supraconductivité. Par conséquent, seule une petite fraction du gaz d'électrons 2-D (2-DEG) et des films métalliques ultrafins sont supraconducteurs. Les chercheurs avaient précédemment mené la plupart des travaux fondamentaux sur la supraconductivité 2D en utilisant des films minces amorphes pour recueillir des informations approfondies sur la nature des transitions de phase classiques et quantiques. La supraconductivité 2-D peut être réalisée dans des matériaux cristallins et des interfaces entre des matériaux cristallins pour permettre aux scientifiques de réaliser et de casser des symétries pour adapter les structures électroniques d'une manière jusqu'à présent impossible dans des films minces amorphes et désordonnés. Par exemple, dans un supraconducteur 2D à fort couplage spin-orbite et symétrie d'inversion brisée, une interaction Rashba peut conduire à une plateforme candidate pour réaliser les modes Majorana. Trois des exemples les plus importants de supraconducteurs 2-D aux interfaces cristallines impliquent des oxydes de métaux de transition avec de fortes interactions électron-électron et électron-réseau pour médier l'appariement supraconducteur.

Tantalate de potassium (KTaO 3 ou KTO) est un isolant avec une structure de pérovskite cubique et une constante diélectrique qui dépasse 4500 lors du refroidissement à basse température. Le matériau KTO est un substrat « paraélectrique quantique » dû aux fluctuations quantiques à basse température pendant la transition ferroélectrique. Les chercheurs peuvent utiliser le déclenchement par liquide ionique pour régler la surface du KTO dans un état supraconducteur faible. Pour réaliser un gaz d'électrons 2-D (2-DEG) aux interfaces KTO, ils ont introduit le clivage sous vide, suivi d'une exposition au rayonnement UV ou synchrotron. En utilisant des études de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) sur la surface du KTO, Liu et al. ont trouvé une surface de Fermi distincte avec une symétrie sextuple dérivée de l'architecture en treillis. Ils ont mesuré une température de transition aussi élevée que 2,2 K, qu'ils ont réglé en faisant varier la densité de porteurs pendant la croissance de l'échantillon. Ils ont également noté une phase de bande émergente qui a brisé la symétrie de rotation dans la surface du KTO.

L'expérience

L'équipe a ensuite préparé le gaz d'électrons 2-D (2-DEG) sur du tantalate de potassium (KTO) en faisant croître une couche d'oxyde d'europium (EUO) par épitaxie par faisceau moléculaire ou aluminate de lanthane (LAO) en utilisant un dépôt laser pulsé, ce qu'ils ont confirmé en utilisant des mesures de diffraction des rayons X. En utilisant la microscopie électronique à transmission haute résolution à correction d'aberration et la microscopie électronique à transmission à balayage, ils ont détecté des lacunes d'oxygène près de l'interface EUO/KTO. Quand ils ont baissé la température, l'interface affichait une supraconductivité. Liu et al. ont fait croître les échantillons à différentes températures et pressions d'oxygène pour obtenir différentes densités et mobilités de porteurs. Ils ont noté que la supraconductivité interfaciale 2-D dépendante de l'orientation cristallographique observée à l'interface KTO contrastait fortement avec les 2-DEG observés aux interfaces du titanate de strontium (STO), où la supraconductivité s'est produite pour toutes les orientations.

Comportement courant-tension et géométrie de Van der Pauw

La supraconductivité dans l'échantillon EUO/KTO a également montré un comportement de courant critique robuste. Lorsque l'équipe a augmenté la température près de la température de transition, ils ont noté une apparition progressive d'un état résistif aux faibles courants. Ils ont interprété l'évolution de la supraconductivité dans un supraconducteur 2D par rapport à une transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). Par conséquent, la déliaison entraînée par le courant des paires anti-vortex vortex créées par des fluctuations thermiques à des températures finies a provoqué l'apparition d'un courant-tension (I-V) non linéaire dans l'état supraconducteur. Les résultats suggèrent en outre que la supraconductivité 2D est inhomogène (diverse), où les maillons faibles rejoignaient les régions supraconductrices.

L'équipe a ensuite noté l'apparition d'une phase distincte proche de l'état supraconducteur dans des échantillons EUO/KTO à faible densité de porteurs et a effectué des mesures de résistance dans une géométrie van der Pauw; c'est à dire., une technique analytique simple pour déterminer la résistivité électrique et la résistance de feuille. Quand ils ont baissé la température en dessous de 2,2 K, la résistance a augmenté de près de 50 pour cent pour le courant le long de l'axe du cristal, alors qu'il a diminué de 50 pour cent pour le courant circulant dans une direction cristallographique différente. La méthode van der Pauw a amplifié l'anisotropie de transport dans les 2-DEG à haute mobilité, suggérant l'émergence d'une phase distincte qui a brisé la symétrie de rotation à travers des échelles de longueur macroscopiques, qui a persisté dans une large plage de températures allant de 2,2 K à environ 0,7 K. À des températures encore plus basses, la résistance dans les directions cristallographiques est réduite rapidement à zéro pour obtenir un état supraconducteur.

Caractéristiques de la supraconductivité 2D

Après avoir abaissé la température dans la configuration, Liu et al. ont noté une résistance accrue due aux flaques supraconductrices qui inhibaient le transport entre les régions supraconductrices faiblement couplées. Ils ont restauré la supraconductivité globale à des températures plus basses via un couplage Josephson entre ces régions. Les résultats ont indiqué que la supraconductivité sous-jacente était anisotrope, permettant aux régions supraconductrices de s'organiser en bandes avec un alignement cohérent sur des échelles de longueur macroscopiques. La dépendance du champ magnétique de la résistance de la feuille a fourni une preuve supplémentaire d'une phase de type bande anisotrope. Au fur et à mesure que le champ magnétique augmentait, Liu et al. ont observé une forte augmentation de la résistance qui a supprimé la supraconductivité globale dans les deux sens du courant. De cette façon, alors que les scientifiques supprimaient la supraconductivité globale en utilisant la température ou les champs magnétiques, les mesures de transport ont révélé une phase de bande pour produire un grand transport anisotrope orienté le long d'axes cristallins similaires dans les interfaces KTO et STO (tantalate de potassium et titanate de strontium). L'équipe de recherche propose de mener d'autres expériences, y compris ceux qui sondent la structure spatiale de la supraconductivité pour comprendre la nature de la supraconductivité observée et de l'anisotropie de résistance.

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