氧化物异质结构中二维界面处自发出现一维超导条纹

非常规超导态是源于物理过程的超导态，不符合常规超导理论，即巴丁、库珀和施里弗(BCS)理论。这些状态的特点是磁性和超导性之间的密切相互作用。

中国科学技术大学、清华大学和复旦大学的研究人员最近一直在试图更好地理解非常规超导的机制。他们发表在《自然物理学》上的论文揭示了氧化物异质结构中自发出现的空间变化超导态，特别是在KTaO3和铁磁EuO之间的界面处。

“我们最近的论文研究了(110)取向的KTaO3(KTO)和铁磁EuO之间界面的非常规超导性，”该论文的合著者、中国科学技术大学的ZijiXiang告诉Phys.org。“KTO和EuO都是绝缘体，但它们在这种异质结构中的界面含有二维电子气(2DEG)，在低温下会变得超导。”

该研究小组最近的研究有两个关键目标。第一个是在具有铁磁覆盖层(即EuO)的氧化物异质结构中揭示新的超导态，第二个是在有针对性的实验操作后探索界面超导性的演变，例如改变材料的载流子密度(ns)界面。

“我们的研究受到非常规超导性通常出现在磁性附近的想法的启发，”项说。“特别是对于铜基和铁基高温超导体，许多提出的超导配对机制与磁性密切相关;此外，磁性和超导之间的相互作用可能会产生更奇特的物质相，包括具有空间振荡超导序参数和有限动量对的对密度波(PDW)序，这已成为最近研究的热点。”

项和他的同事检查的EuO/KTO异质结构表现出由EuO覆盖层引起的强铁磁邻近效应。这种效应使其成为研究非常规超导性的理想平台。

“第一份关于EuO/KTO界面超导性的报告于2021年发表，重点关注KTO(111)界面，”项说。“此后我们开始研究EuO/KTO(110)界面(考虑到其界面质量的改善)，我们在之前的一篇论文中揭示了二维超导性的出现。”

研究人员使用分子束外延技术制备了实验中使用的EuO/KTO(110)异质结构。他们专门在(110)取向的KTO单晶基底上生长了EuO薄膜。

“通过控制生长条件，我们能够获得具有不同界面载流子密度ns的异质结构，”项说。“然后，我们制造了标准霍尔棒装置，用于进行电传输测量。霍尔棒装置经过专门设计，可以在施加电流的两个正交方向上同时测量界面2DEG的电阻：在KTO(110)上表面上，这两个正交方向是[001]和[1-10]。”

除了进行输运实验外，研究人员还与复旦大学王一华教授领导的实验室合作，利用基于扫描超导干涉装置(扫描SQUID)的磁力测量技术分析了异质结构。这项技术使他们能够表征样品的磁性。

研究人员与清华大学刘铮教授的研究小组合作，还进行了一系列第一性原理计算，以更好地理解他们的实验观察结果。这些计算的目的是概述界面2DEG的电子能带结构。

“首先，我们的电传输揭示了EuO/KTO(110)界面处超导2DEG的极不寻常的面内各向异性，”Xiang说。“也就是说，转变温度(Tc)和上临界场(Hc2，超导性被破坏的磁场)似乎都强烈依赖于施加电流I的方向;与I平行到[001]，Tc和Hc2都高于与[1-10]平行的I的情况。这种方向依赖性在超导体中非常罕见。”

扫描SQUID成像揭示了该团队样本中连续发生的两次反磁性转变。这表明他们观察到的输运方向依赖性确实源于两个超导相的亚微米共存。

“根据我们的发现，我们提出了一种方案，其中具有较高Tc的超导相是一个‘条带’相，其中一维(1D)超导束沿着[001]单向排列出现，”Xiang说。

“相干超导性首先在这些一维结构中发展起来，产生了方向相关的Tc和Hc2。整个界面上的二维超导性的建立只发生在较低的温度下。”

第二个中心结果是上述定向超导性仅存在于低2DEG载流子密度(ns<~8´1013cm-2)的异质结构中。对于具有较高ns的2DEG，Tc和Hc2从未表现出任何电流方向依赖性。因此，所提出的超导条带相的出现必须取决于能带填充。

“最重要的是，我们的实验和理论研究都表明，只有在观察到定向超导性的低ns样品中，2DEG才与EuO铁磁性强耦合，”Xiang说。

“由于这种强耦合，2DEG的电子带表现出明显的自旋极化。因此，我们得出结论，超导条相的形成必定与这种增强的铁磁邻近效应密切相关。”

向和他的同事最近的工作揭示了由接近氧化物异质结构引起的非常规超导态。这种状态以二维界面处自发出现的一维超导条带为标志，是如何在超导状态下减小尺寸的示例。

“这种观察到的现象让我们想起氧化铜高温超导体La2-xBaxCuO4(x=1/8)中报道的尺寸减小，其中由于相互作用，二维超导态在三维系统中发展超导和电荷/自旋顺序之间的关系，”项说。

“这些二维超导态被认为是PDW态。那么，我们的异质结构中出现的超导条纹的本质是什么?它们是否也是PDW顺序的表现，或者与一些更奇特的超导相相关?”

在接下来的研究中，研究人员将尝试回答这些重要问题。迄今为止，他们的发现证实，与磁性的耦合在实现非常规超导中起着至关重要的作用。

未来，项和他的同事计划进一步研究他们观察到的超导条状相，以了解更多关于其潜在的超导配对的信息。这可以让他们更好地理解这种奇异的超导态如何从具有强自旋极化的电子带中出现。

“不幸的是，EuO覆盖层的存在阻碍了大多数光谱探针对界面的直接研究，”Xiang补充道。“我们一直致力于开发一种测量界面处超流体密度的技术。通过跟踪超流体密度随温度的变化，我们可以获得有关超导条相的主要热力学性质的有价值的信息，这可能是这是朝着更深入地理解所涉及的新颖物理学迈出的关键一步。”