Rigidità superfluida di un KTaO3

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4625 (2022) Citare questo articolo

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Dopo quasi vent'anni di intenso lavoro sul celebre sistema LaAlO3/SrTiO3, la recente scoperta di un gas elettronico bidimensionale superconduttore (2-DEG) in eterostrutture basate su KTaO3 orientate (111) dà nuovo slancio al campo dell'interfaccia degli ossidi. Tuttavia, sebbene entrambe le interfacce condividano proprietà comuni, gli esperimenti suggeriscono anche importanti differenze tra i due sistemi. Qui, riportiamo la superconduttività sintonizzabile del gate in 2-DEG generata sulla superficie di un cristallo KTaO3 orientato (111) mediante il semplice sputtering di un sottile strato di Al. Estraiamo la rigidità superfluida dei 2-DEG e mostriamo che la sua dipendenza dalla temperatura è coerente con un parametro di ordine superconduttore senza nodi avente un valore di gap maggiore del previsto all'interno di un semplice modello limite di accoppiamento debole BCS. La transizione superconduttiva segue lo scenario Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, che non è stato riportato sulle interfacce basate su SrTiO3. La nostra scoperta offre prospettive innovative per la scienza fondamentale ma anche per applicazioni di dispositivi in ​​una varietà di campi come l’orbitronica di spin e l’elettronica topologica.

Il tantalato di potassio KTaO3 è un isolante a banda con un gap di 3,6 eV che mantiene una struttura cubica di perovskite fino alla temperatura più bassa1. Come il titanato di stronzio (SrTiO3), è un materiale paraelettrico quantistico sull'orlo di un'instabilità ferroelettrica caratterizzato da un'elevata permettività a bassa temperatura (ϵr ≃ 5000)1,2. Entrambi i materiali possono essere trasformati in metallo mediante drogaggio elettronico, ad esempio attraverso posti vacanti di ossigeno. A causa delle loro proprietà comuni, è stato suggerito che la superconduttività dovrebbe verificarsi anche nel KTaO3 drogato. Tuttavia, mentre la superconduttività è stata scoperta più di mezzo secolo fa nel SrTiO33 in massa, tutti i tentativi di indurre la superconduttività in massa nel KTaO3 sono finora falliti4. Utilizzando il gating ionico, Ueno et al. potrebbe generare un 2-DEG superconduttore sulla superficie di (001)-KTaO3, anche se a una temperatura molto bassa (Tc ≃ 40 mK)5. Successive esplorazioni di KTaO3 2-DEG non hanno evidenziato alcuna superconduttività fino all'inizio dell'anno 2021, quando due articoli hanno riportato la scoperta di 2-DEG superconduttori formati all'interfaccia tra (111)-KTaO3 e strati isolanti di LaAlO3 o EuO6,7. È stato proposto un aumento empirico di Tc con la densità elettronica con un valore massimo di 2,2 K per un drogaggio di ≈ 1,04 × 1014e− × cm−2 6, che è quasi un ordine di grandezza superiore rispetto all'interfaccia LaAlO3/SrTiO38. Un controllo dell'effetto di campo elettrico del Tc è stato dimostrato anche in un dispositivo a barra di Hall7 ed è stato derivato un diagramma di fase superconduttore a forma di cupola simile a quello delle interfacce basate su SrTiO39,10. In seguito a questa scoperta, si è scoperto che anche l'interfaccia KTaO3 orientata a (110) è superconduttiva con Tc ≃ 1 K11. Recentemente è stato proposto che il modo ottico trasversale morbido, coinvolto nella paraelettricità quantistica, potrebbe essere responsabile dell'accoppiamento degli elettroni nelle interfacce KTaO3. Si prevede che l'ampiezza di accoppiamento tra questo modo fonico e gli elettroni sia massima nell'orientamento (111) e minima in quello (001), il che spiegherebbe la gerarchia in Tc osservata in questi 2-DEG superconduttori12.

Nei superconduttori convenzionali, ben descritti dalla teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), la transizione superconduttiva è controllata dalla rottura delle coppie di Cooper quando la temperatura supera la scala energetica impostata dal gap superconduttore. Tuttavia, nei superconduttori bidimensionali, la rigidità del superfluido, cioè l'energia associata alla rigidità di fase del condensato superconduttore, può essere paragonabile all'energia di accoppiamento, consentendo una soppressione di Tc guidata dalla perdita di coerenza di fase. In questo caso, ci si aspetta che la transizione appartenga alla classe di universalità Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT), dove la transizione è controllata dalla separazione delle coppie topologiche vortice-antivortice13,14,15. Le misurazioni del campo magnetico critico nei (111)-KTaO3 2-DEG, sia nella geometria perpendicolare che in quella parallela, stabiliscono un limite superiore, d ≈ 5 nm, sull'estensione del 2-DEG nel substrato6. Questo è inferiore alla lunghezza di coerenza superconduttiva, ξ ≈ 10–15 nm6, il che conferma che il 2-DEG superconduttore rientra nel limite 2D. Inoltre, si prevede che la presenza di disordine, che è stata identificata in questo sistema6,7, riduca la rigidità del superfluido e rinforzi il ruolo delle fluttuazioni di fase. Anche se le misurazioni delle caratteristiche corrente-tensione in rif. 6 potrebbe essere compatibile con le firme indirette di una transizione BKT, è necessaria una misurazione diretta della rigidezza superfluida per affrontare adeguatamente questo problema16.