Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC), de l’Université Tsinghua et de l’Université Fudan ont récemment tenté de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la supraconductivité non conventionnelle. Leur article, publié dans Nature Physics , a dévoilé l'émergence spontanée d'un état supraconducteur spatialement variable dans une hétérostructure d'oxyde, spécifiquement à l'interface entre KTaO₃ et EuO ferromagnétique.

"Notre article récent a étudié la supraconductivité non conventionnelle à l'interface entre KTaO₃ orienté (110) (KTO) et EuO ferromagnétique", a déclaré Ziji Xiang de l'USTC, co-auteur de l'article, à Phys.org. "KTO et EuO sont tous deux des isolants, mais leur interface dans une telle hétérostructure héberge un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) qui devient supraconducteur à basse température."

La récente étude menée par cette équipe de chercheurs avait deux objectifs clés. La première consistait à dévoiler de nouveaux états supraconducteurs dans une hétérostructure d'oxyde avec une surcouche ferromagnétique (c'est-à-dire EuO). La seconde consistait à explorer l'évolution de la supraconductivité d'interface à la suite de manipulations expérimentales ciblées, telles que la modification de la densité de porteurs (n_s ) de l'interface.

"Nos recherches s'inspirent de l'idée selon laquelle une supraconductivité non conventionnelle émerge généralement à proximité du magnétisme", a déclaré Xiang. "En particulier, pour les supraconducteurs à haute température à base de cuivre et de fer, bon nombre des mécanismes d'appariement supraconducteurs proposés sont étroitement liés au magnétisme ; de plus, l'interaction entre le magnétisme et la supraconductivité peut donner naissance à des phases de matière plus particulières, notamment la ordre d'ondes de densité de paires (PDW) avec un paramètre d'ordre supraconducteur oscillant spatialement et un appariement à impulsion finie qui a récemment fait l'objet d'intenses recherches."

L'hétérostructure EuO/KTO examinée par Xiang et ses collègues présente un fort effet de proximité ferromagnétique provoqué par la surcouche EuO. Cet effet en fait une plateforme idéale pour étudier la supraconductivité non conventionnelle.

« Le premier rapport sur la supraconductivité à l'interface EuO/KTO a été publié en 2021, se concentrant sur l'interface KTO (111) », a déclaré Xiang. "Nous avons depuis travaillé sur l'interface EuO/KTO (110) (compte tenu de sa qualité d'interface améliorée), au cours de laquelle nous avons révélé l'émergence de la supraconductivité bidimensionnelle dans un article précédent."

Les chercheurs ont préparé les hétérostructures EuO/KTO(110) utilisées dans leurs expériences en utilisant une technique connue sous le nom d'épitaxie par jet moléculaire. Ils ont spécifiquement cultivé des films EuO sur des substrats monocristallins KTO orientés (110).

"En contrôlant les conditions de croissance, nous avons pu obtenir des hétérostructures avec différentes densités de porteurs interfaciaux n_s ", a déclaré Xiang. "Nous avons ensuite fabriqué des dispositifs Hall-bar standard pour effectuer des mesures de transport électrique. Les dispositifs Hall-bar ont été spécialement conçus pour que la résistance de l'interface 2DEG puisse être mesurée simultanément pour deux directions orthogonales du courant électrique appliqué :sur la surface KTO (110), ces deux directions orthogonales sont [001] et [1-10". ]."

En plus de mener des expériences de transport, les chercheurs ont analysé les hétérostructures à l'aide d'une technique de magnétométrie basée sur un dispositif d'interférence supraconducteur à balayage (scanning SQUID), en collaboration avec le laboratoire dirigé par le professeur Yihua Wang de l'université de Fudan. Cette technique leur a permis de caractériser les propriétés magnétiques de leurs échantillons.

En collaboration avec le groupe de recherche du professeur Zheng Liu à l'Université Tsinghua, les chercheurs ont également effectué une série de calculs de principes fondamentaux afin de mieux comprendre leurs observations expérimentales. Ces calculs visaient à décrire la structure de bande électronique du 2DEG interfacial.

"Premièrement, notre transport électrique a révélé une anisotropie dans le plan très inhabituelle du 2DEG supraconducteur à l'interface EuO/KTO(110)", a déclaré Xiang. "C'est-à-dire que la température de transition (T_c ) et le champ critique supérieur (H_c2 , le champ magnétique auquel la supraconductivité se décompose) semblent dépendre fortement de la direction du courant électrique appliqué I ; avec I parallèle à [001], les deux T_c et H_c2 sont supérieurs au cas de I parallèle à [1-10]. Une telle dépendance directionnelle est très rare parmi les supraconducteurs."

L'imagerie SQUID par balayage a révélé l'apparition de deux transitions diamagnétiques successives dans les échantillons de l'équipe. Cela suggère que la dépendance directionnelle dans le transport qu'ils ont observée découle effectivement de la coexistence submicrométrique de deux phases supraconductrices.

"Sur la base de nos résultats, nous proposons un scénario dans lequel la phase supraconductrice avec une T_c plus élevée est une phase de « bande » dans laquelle émergent des faisceaux supraconducteurs unidimensionnels (1D) alignés de manière unidirectionnelle le long de [001]", a déclaré Xiang.

"La supraconductivité cohérente est d'abord développée au sein de ces structures 1D, donnant naissance au T_c dépendant de la direction. et H_c2 . L'établissement de la supraconductivité 2D sur toute l'interface ne se produit qu'à une température plus basse."

Le deuxième résultat central est que la supraconductivité directionnelle mentionnée ci-dessus n'existe que dans les hétérostructures à faible densité de porteurs 2DEG (n_s <~8´10 ¹³ cm ^-2 ). Pour les 2DEG avec des n_s supérieurs , le T_c et H_c2 ne montre jamais de dépendance à la direction du courant. Par conséquent, l'émergence de la phase de bande supraconductrice proposée doit dépendre du remplissage de la bande.

"Plus important encore, nos investigations expérimentales et théoriques suggèrent que le 2DEG est fortement couplé au ferromagnétisme EuO uniquement dans le faible n_s échantillons dans lesquels la supraconductivité directionnelle est observée", a déclaré Xiang.

"En raison de ce fort couplage, les bandes électroniques de 2DEG présentent une polarisation de spin prononcée. Ainsi, nous concluons que la formation de la phase de bande supraconductrice doit être étroitement liée à cet effet de proximité ferromagnétique amélioré."

Les travaux récents de Xiang et de ses collègues dévoilent un état supraconducteur non conventionnel induit par la proximité d'une hétérostructure d'oxyde. Cet état, marqué par l'émergence spontanée de bandes supraconductrices 1D au niveau d'une interface 2D, sert d'exemple de la façon dont les dimensions peuvent être réduites dans les états supraconducteurs.

"Ce phénomène observé nous rappelle la réduction dimensionnelle rapportée dans le supraconducteur à haute température à base d'oxyde de cuivre La_2-x Ba_x CuO₄ (x =1/8), dans lequel les états supraconducteurs 2D se développent dans un système tridimensionnel en raison de l'interaction entre la supraconductivité et les ordres de charge/spin", a déclaré Xiang.

"Il a été suggéré que ces états supraconducteurs 2D sont des états PDW. Alors, quelle est la nature des bandes supraconductrices émergentes dans nos hétérostructures ? Sont-elles également des manifestations d'un ordre PDW ou associées à des phases supraconductrices encore plus exotiques ?"

Dans leurs prochaines études, les chercheurs tenteront de répondre à ces questions importantes. Leurs découvertes confirment jusqu'à présent que le couplage avec le magnétisme joue un rôle crucial dans la réalisation d'une supraconductivité non conventionnelle.

À l’avenir, Xiang et ses collègues prévoient d’étudier plus en détail la phase de bande supraconductrice qu’ils ont observée, afin d’en savoir plus sur son appariement supraconducteur sous-jacent. Cela pourrait leur permettre de mieux comprendre comment cet état supraconducteur exotique peut émerger de bandes électroniques présentant une forte polarisation de spin.

"Malheureusement, la présence d'une surcouche EuO empêche l'application de la plupart des sondes spectroscopiques pour une étude directe de l'interface", a ajouté Xiang. "Nous avons travaillé sur le développement d'une technique qui mesure la densité superfluide à l'interface. En suivant l'évolution de la densité superfluide avec différentes températures, nous pouvons obtenir des informations précieuses sur les propriétés thermodynamiques primaires de la phase de bande supraconductrice, qui pourraient être une étape cruciale vers une compréhension plus profonde de la nouvelle physique impliquée. "