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由于磁性和超導(dǎo)配對之間的密切關(guān)聯(lián)引起了研究者的關(guān)注，科學(xué)家開始探索磁性與超導(dǎo)性之間的相互作用對非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生的影響。磁性能夠在銅基和鐵基材料中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)配對的實(shí)空間調(diào)制，這引發(fā)了對這種效應(yīng)的探索，以闡明非常規(guī)超導(dǎo)性的機(jī)制。然而，磁性與超導(dǎo)配對之間的競爭和耦合過程存在一些問題，尚待解決。特別是，對于形成在復(fù)雜氧化物界面上的超導(dǎo)態(tài)，其超導(dǎo)性質(zhì)如何受到磁性的影響以及在空間上如何變化，尚未得到充分理解。

成果簡介

有鑒于此，中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Ziji Xiang教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合陳仙輝院士等人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和分析，尤其關(guān)注在KTaO₃和鐵磁性EuO之間形成的界面。他們通過電輸運(yùn)測量等手段，研究了在此界面上形成的超導(dǎo)態(tài)的特性，特別是在低載流子密度和高載流子密度樣品中的行為差異，相關(guān)成果以題為“Superconducting stripes induced by ferromagnetic proximity in an oxide heterostructure” 發(fā)表于頂刊nature physics。本研究對非常規(guī)超導(dǎo)性的理解提供了重要見解，同時(shí)也為后續(xù)研究者理解磁性和超導(dǎo)性之間的相互作用機(jī)制提供了新的視角和理解。

圖文導(dǎo)讀

為了深入了解在鐵磁性氧化銪（EuO）和立方鈦酸鉀（KTaO₃，簡稱KTO）之間形成的二維電子氣（2DEG）中超導(dǎo)性和磁性之間的相互作用，研究者通過分子束外延制備了EuO/KTO（110）異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖1展示了該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性。圖1a描繪了KTO（110）晶格結(jié)構(gòu)的（110）平面，并通過圖中插圖展示了其三層離子的分布。圖1b展示了在EuO/KTO（110）異質(zhì)結(jié)構(gòu)上制備的Hall-bar圖案，其中設(shè)備1和設(shè)備2具有不同的尺寸。圖1c是制備好的Hall-bar器件的照片。研究者通過調(diào)控生長參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了不同載流子密度（ns）的2DEG，圖1d顯示了不同ns樣品的二維阻抗隨溫度變化的結(jié)果。

值得注意的是，在低溫下，低載流子密度（低ns）樣品表現(xiàn)出沿[001]方向施加電流的較高電阻。圖1e和1f分別展示了高ns和低ns樣品的電阻性超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，引人注目的是在低ns樣品中，改變電流方向引起了Tc的顯著變化。這表明超導(dǎo)性在低ns 2DEG中存在空間異質(zhì)性，對研究超導(dǎo)與磁性相互作用提供了新視角。

圖1. 在KTO（110）表面形成的2DEG以及EuO/KTO（110）界面樣品上的輸運(yùn)測量

圖2展示了在EuO/KTO(110)界面上的高載流子密度（ns）和低載流子密度條件下，超導(dǎo)性的上臨界磁場（Hc2）的研究結(jié)果。作為評估超導(dǎo)性的關(guān)鍵參數(shù)，Hc2在研究超導(dǎo)材料性能和理解超導(dǎo)機(jī)制中具有重要意義。為了深入了解在不同載流子密度條件下的超導(dǎo)性質(zhì)，研究者采用了外磁場方向和電流方向的依賴性測量。在高ns樣品中（圖2a-c），Hc2隨著溫度的變化呈現(xiàn)出可預(yù)測的行為，且電流方向依賴性可以忽略。然而，在低ns樣品中（圖2d-f），Hc2的行為則顯著不同。無論是沿[001]方向還是<1-10>方向，Hc2都依賴于電流方向：沿[001]方向測量的Hc2均高于沿<1-10>方向的Hc2，這種現(xiàn)象在所有磁場方向和溫度下都是如此。

這導(dǎo)致了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即在H-T相圖中出現(xiàn)了廣泛的區(qū)域，超導(dǎo)性僅在[001]方向存在，而在垂直方向則消失。值得注意的是，Hc2的測量結(jié)果還顯示了Pauli順磁限制被顯著超過，并且在低ns樣品中，Hc2(T)∥<1-10>在接近Tc時(shí)出現(xiàn)了奇怪的曲率變化，無法通過傳統(tǒng)模型解釋。這些發(fā)現(xiàn)突顯了在不同載流子密度下超導(dǎo)性質(zhì)的顯著差異，并為作者理解界面超導(dǎo)性提供了重要見解。

圖2. 具有高和低ns的超導(dǎo)2DEG的上臨界場在EuO/KTO（110）界面上

圖3展示了在低載流子密度（ns）的EuO/KTO(110)界面上的掃描SQUID測量結(jié)果和超導(dǎo)態(tài)的示意圖。首先，圖3a展示了在掃描區(qū)域內(nèi)測得的磁矩圖像，顯示了EuO覆層中的磁性域。與此同時(shí)，圖3b的磁化率圖像揭示了相同區(qū)域內(nèi)磁化率的空間均勻性。此外，圖3c顯示了通過掃描SQUID技術(shù)在低載流子密度樣品上測得的磁化率χ的溫度依賴性曲線。這些曲線顯示了兩個(gè)反鐵磁轉(zhuǎn)變，其溫度與輸運(yùn)測量中定義的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc一致。

結(jié)合輸運(yùn)和掃描SQUID數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈暗示了在EuO/KTO(110)界面上出現(xiàn)了非常規(guī)的超導(dǎo)態(tài)。磁矩圖像和磁化率圖像的結(jié)果表明，超導(dǎo)態(tài)在整個(gè)界面上均勻分布。此外，通過比較電流方向依賴的Tc和磁化率中的雙重轉(zhuǎn)變特征，研究者發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)具有高度方向性的超導(dǎo)相。這表明在界面上存在相干的Cooper對形成的離散超導(dǎo)通道，這些通道只有在特定方向的電流路徑下才會出現(xiàn)零電阻。

圖3. 掃描SQUID測量和（低ns）EuO/KTO（110）界面上超導(dǎo)態(tài)的示意圖

圖4展示了低載流子密度（ns）樣品與鐵磁EuO覆蓋層之間的耦合關(guān)系。在高載流子密度2DEG中，霍爾效應(yīng)是線性的，類似于電子，并且沒有明顯特征（見圖4a）。然而，在低載流子密度2DEG中，在低溫下可以分辨出異?；魻栃?yīng)（AHE），其開始溫度約為70 K（見圖4b）。此外，在低載流子密度2DEG的平面磁電阻中觀察到了蝴蝶形的滯回環(huán)，隨著ns的增加而縮小，當(dāng)ns約為8.6 × 1013 cm-2時(shí)消失（見圖4c）。這表明低載流子密度2DEG受到EuO覆蓋層鐵磁性的影響，而高載流子密度2DEG則不受影響。此外，作者通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鐵磁性鄰近效應(yīng)與載流子密度之間存在強(qiáng)烈的填充依賴性。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)填充變化在合理范圍內(nèi)時(shí)，鐵磁性鄰近效應(yīng)顯著依賴于載流子密度的變化。此外，作者還通過投影DFT波函數(shù)的軌道權(quán)重，發(fā)現(xiàn)KTO/EuO異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶可以最優(yōu)地追溯到KTO的體相Ta 5d帶。這些結(jié)果揭示了在低載流子密度樣品中，2DEG與覆蓋層鐵磁性之間存在的耦合機(jī)制，為未來的理論研究提供了重要基礎(chǔ)。

圖4. 由帶填充控制的2DEG與鐵磁性EuO覆層之間的耦合

總結(jié)展望

本研究揭示了在二維電子氣（2DEG）與鐵磁性氧化物覆層之間的復(fù)雜耦合機(jī)制，為探索超導(dǎo)性與磁性競爭的新型材料系統(tǒng)提供了重要線索。通過研究不同載流子密度下的2DEG，作者發(fā)現(xiàn)低密度樣品中的超導(dǎo)性表現(xiàn)出明顯的方向依賴性，這一現(xiàn)象與EuO覆層的鐵磁性密切相關(guān)。

此外，第一性原理計(jì)算揭示了鐵磁性和超導(dǎo)性之間的耦合是能量和軌道依賴的，表現(xiàn)為不同的自旋極化和軌道成分。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于深入理解鐵磁性和超導(dǎo)性之間的相互作用機(jī)制，還為設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有特定性能的新型超導(dǎo)體和磁性材料提供了理論指導(dǎo)。此外，作者的研究為理解其他氧化物界面和異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)提供了一個(gè)有益的范例，為開發(fā)更多基于界面調(diào)控的新型功能材料系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Hua, X., Zeng, Z., Meng, F. et al. Superconducting stripes induced by ferromagnetic proximity in an oxide heterostructure. Nat. Phys. (2024).?

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