KTaO3의 초유체 강성

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4625(2022) 이 기사 인용

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유명한 LaAlO3/SrTiO3 시스템에 대한 약 20년 간의 집중적인 연구 끝에 최근 (111) 지향 KTaO3 기반 이종구조에서 초전도 2차원 전자 가스(2-DEG)가 발견되면서 산화물 인터페이스 분야에 새로운 추진력을 불어넣었습니다. 그러나 두 인터페이스 모두 공통 속성을 공유하지만 실험에서는 두 시스템 간의 중요한 차이점도 제시됩니다. 여기에서는 얇은 Al 층의 간단한 스퍼터링에 의해 (111) 지향 KTaO3 결정의 표면에서 생성된 2-DEG의 게이트 조정 가능한 초전도성을 보고합니다. 우리는 2-DEG의 초유체 강성을 추출하고 온도 의존성이 간단한 BCS 약한 결합 한계 모델 내에서 예상보다 큰 간격 값을 갖는 노드 없는 초전도 차수 매개변수와 일치함을 보여줍니다. 초전도 전이는 SrTiO3 기반 인터페이스에서는 보고되지 않은 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 시나리오를 따릅니다. 우리의 발견은 기초 과학뿐만 아니라 스핀 궤도 전자 및 위상 전자와 같은 다양한 분야의 장치 응용 분야에 대한 혁신적인 관점을 제공합니다.

탄탈산칼륨 KTaO3은 최저 온도까지 입방체 페로브스카이트 구조를 유지하는 3.6eV 간격의 밴드 절연체입니다1. 티탄산스트론튬(SrTiO3)과 마찬가지로 저온에서 큰 유전율(ϵr ≃ 5000)1,2을 특징으로 하는 강유전성 불안정성에 직면한 양자 상유전성 물질입니다. 두 물질 모두 예를 들어 산소 결손을 통해 전자 도핑을 통해 금속으로 변할 수 있습니다. 이들의 공통 특성으로 인해 도핑된 KTaO3에서도 초전도성이 발생해야 한다고 제안되었습니다. 그러나 반세기 전에 벌크 SrTiO33에서 초전도성이 발견되었지만 KTaO3에서 벌크 초전도성을 유도하려는 모든 시도는 지금까지 실패했습니다4. 이온 게이팅을 사용하여 Ueno et al. 매우 낮은 온도(Tc ≃ 40 mK)5에서도 (001)-KTaO3 표면에서 초전도 2-DEG를 생성할 수 있습니다. KTaO3 2-DEG에 대한 이후의 탐사에서는 2021년 초까지 초전도성을 입증하지 못했습니다. 두 기사에서 (111)-KTaO3와 LaAlO3 또는 EuO6의 절연 오버레이 사이의 경계면에서 형성된 초전도 2-DEG가 발견되었다고 보고했습니다. 전자 밀도에 따른 Tc의 경험적 증가는 1.04 × 1014e− × cm−2 6 도핑에 대해 최대값 2.2K로 제안되었으며, 이는 LaAlO3/SrTiO3 인터페이스보다 거의 10배 더 높습니다8. Tc의 전기장 효과 제어는 홀 바 장치에서도 시연되었으며 SrTiO 기반 인터페이스와 유사한 돔 모양의 초전도 위상 다이어그램이 도출되었습니다9,10. 이 발견에 이어 (110) 지향 KTaO3 인터페이스도 Tc ≃ 1 K11인 초전도성인 것으로 밝혀졌습니다. 최근에는 양자 상전기성과 관련된 연성 횡단 광학 모드가 KTaO3 인터페이스에서 전자 쌍을 담당할 수 있다고 제안되었습니다. 이 포논 모드와 전자 사이의 결합 진폭은 (111) 방향에서 최대이고 (001) 방향에서 최소일 것으로 예상되며, 이는 이러한 초전도 2-DEG에서 관찰된 Tc의 계층 구조를 설명합니다.

Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS) 이론에 의해 잘 설명된 기존 초전도체에서 초전도 전이는 온도가 초전도 갭에 의해 설정된 에너지 규모를 초과함에 따라 쿠퍼 쌍이 끊어짐으로써 제어됩니다. 그러나 2차원 초전도체에서 초유체 강성, 즉 초전도 응축물의 위상 강성과 관련된 에너지는 쌍 에너지와 유사할 수 있어 위상 일관성 손실로 인해 Tc 억제가 가능해집니다. 이 경우 전이는 BKT(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) 보편성 클래스에 속할 것으로 예상되며, 여기서 전이는 위상적 소용돌이-반와류 쌍의 결합 해제에 의해 제어됩니다. (111)-KTaO3 2-DEG의 임계 자기장 측정은 수직 및 평행 기하 구조 모두에서 기판의 2-DEG 확장에 대한 상한 d ≒ 5 nm를 설정합니다6. 이는 초전도 일관성 길이 ξ 10-15 nm6보다 낮으며 이는 초전도 2-DEG가 2D 한계 내에 있음을 확인합니다. 또한, 이 시스템6,7에서 확인된 장애의 존재는 초유체 강성을 낮추고 위상 변동의 역할을 강화할 것으로 예상됩니다. 심판의 전류-전압 특성 측정에도 불구하고. 6은 BKT 전이의 간접 서명과 호환될 수 있으므로 이 문제를 적절하게 해결하려면 초유체 강성을 직접 측정해야 합니다.