Le nouveau supraconducteur interfacial possède de nouvelles propriétés qui soulèvent de nouvelles questions fondamentales et pourraient être utiles pour le traitement de l'information quantique ou la détection quantique.

Les interfaces dans les solides constituent la base d'une grande partie de la technologie moderne. Par exemple, les transistors présents dans tous nos appareils électroniques fonctionnent en contrôlant les électrons aux interfaces des semi-conducteurs. Plus généralement, l'interface entre deux matériaux peut avoir des propriétés uniques qui sont radicalement différentes de celles trouvées dans chaque matériau séparément, préparer le terrain pour de nouvelles découvertes.

Comme les semi-conducteurs, les matériaux supraconducteurs ont de nombreuses implications importantes pour la technologie, des aimants pour les IRM à l'accélération des connexions électriques ou peut-être à la technologie quantique. La grande majorité des matériaux et dispositifs supraconducteurs sont en 3D, leur conférant des propriétés bien comprises par les scientifiques.

L'une des questions fondamentales avec les matériaux supraconducteurs concerne la température de transition, la température extrêmement froide à laquelle un matériau devient supraconducteur. Tous les matériaux supraconducteurs à des pressions régulières deviennent supraconducteurs à des températures bien inférieures au jour le plus froid à l'extérieur.

Maintenant, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont découvert une nouvelle façon de générer une supraconductivité 2D à une interface de matériau à une température de transition relativement élevée, mais toujours froide. Ce supraconducteur interfacial possède de nouvelles propriétés qui soulèvent de nouvelles questions fondamentales et pourraient être utiles pour le traitement de l'information quantique ou la détection quantique.

Dans l'étude, Chercheur postdoctoral Argonne Changjiang Liu et ses collègues, travaillant dans une équipe dirigée par le scientifique des matériaux d'Argonne, Anand Bhattacharya, ont découvert qu'un nouveau supraconducteur 2D se forme à l'interface d'un isolant en oxyde appelé KTaO 3 (KTO). Leurs résultats ont été publiés en ligne dans la revue Science le 12 février.

En 2004, les scientifiques ont observé une fine feuille d'électrons conducteurs entre deux autres isolants en oxyde, LaAlO 3 (LAO) et SrTiO 3 (STO). Il a été montré plus tard que ce matériau, appelé gaz d'électrons 2D (2DEG) peut même devenir supraconducteur, permettant le transport d'électricité sans dissiper l'énergie. Surtout, la supraconductivité pourrait être activée et désactivée à l'aide de champs électriques, comme dans un transistor.

Cependant, pour atteindre un tel état supraconducteur, l'échantillon a dû être refroidi à environ 0,2 K, une température proche du zéro absolu (- 273,15 °C), nécessitant un appareil spécialisé appelé réfrigérateur à dilution. Même avec des températures de transition aussi basses ( T C ), l'interface LAO/STO a été fortement étudiée dans le cadre de la supraconductivité, spintronique et magnétisme.

Dans la nouvelle recherche, l'équipe a découvert que dans KTO, la supraconductivité interfaciale pourrait émerger à des températures beaucoup plus élevées. Pour obtenir l'interface supraconductrice, Liu, L'étudiant diplômé Xi Yan et ses collègues ont développé de fines couches d'oxyde d'europium (EuO) ou de LAO sur KTO en utilisant des installations de croissance de couches minces à la pointe de la technologie à Argonne.

"Cette nouvelle interface oxyde rend l'application de dispositifs supraconducteurs 2D plus réalisable, " Liu a dit. "Avec sa température de transition plus élevée de l'ordre de grandeur de 2,2 K, ce matériau n'aura pas besoin d'un réfrigérateur à dilution pour être supraconducteur. Ses propriétés uniques soulèvent de nombreuses questions intéressantes."

Un étrange supraconducteur

Étonnamment, cette nouvelle supraconductivité interfaciale montre une forte dépendance à l'orientation de la facette du cristal où se forme le gaz d'électrons.

Ajoutant au mystère, les mesures suggèrent la formation d'une supraconductivité en forme de bande dans des échantillons à faible dopage où les ruisseaux des régions supraconductrices sont séparés par la normale, régions non supraconductrices. Ce type de formation spontanée de bandes est également appelé nématicité, et se trouve généralement dans les matériaux à cristaux liquides utilisés pour les écrans.

"Les réalisations électroniques de nématicité sont rares et d'un grand intérêt fondamental. Il s'avère que la surcouche d'EuO est magnétique, et le rôle de ce magnétisme dans la réalisation de l'état nématique dans KTO reste une question ouverte, " dit Bhattacharya.

Dans leur article scientifique, les auteurs discutent également des raisons pour lesquelles le gaz d'électrons se forme. En utilisant des microscopes électroniques à transmission à résolution atomique, Jianguo Wen au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, avec le groupe du professeur Jian-Min Zuo à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, ont montré que les défauts formés lors de la croissance de la surcouche peuvent jouer un rôle central.

En particulier, ils ont trouvé des preuves de lacunes en oxygène et de défauts de substitution, où les atomes de potassium sont remplacés par des ions europium ou lanthane, qui ajoutent tous des électrons à l'interface et la transforment en un conducteur 2D. Utilisation de rayons X ultra-brillants à la source avancée de photons (APS), Yan avec les scientifiques d'Argonne Hua Zhou et Dillon Fong, ont sondé les interfaces de KTO enfouies sous la surcouche et observé les signatures spectroscopiques de ces électrons supplémentaires près de l'interface.

"Les kits d'outils à rayons X sensibles aux interfaces disponibles à l'APS nous permettent de révéler la base structurelle de la formation 2DEG et la dépendance inhabituelle des facettes cristalline de la supraconductivité 2D. Une compréhension plus détaillée est en cours, " dit Zhou.

Au-delà de décrire le mécanisme de formation de 2DEG, ces résultats ouvrent la voie à l'amélioration de la qualité du gaz d'électrons interfacial en contrôlant les conditions de synthèse. Étant donné que la supraconductivité se produit à la fois pour les surcouches d'oxyde EuO et LAO qui ont été essayées jusqu'à présent, de nombreuses autres possibilités restent à explorer.

La recherche est discutée dans l'article "Supraconductivité bidimensionnelle et transport anisotrope à KTaO 3 (111) interfaces, " Science , DOI :10.1126/science.aba5511.