Rigidez superfluida de um KTaO3

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4625 (2022) Citar este artigo

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Após quase vinte anos de intenso trabalho no célebre sistema LaAlO3/SrTiO3, a recente descoberta de um gás de elétrons bidimensional supercondutor (2-DEG) em heteroestruturas baseadas em KTaO3 orientadas por (111) injeta novo impulso no campo da interface de óxidos. No entanto, embora ambas as interfaces compartilhem propriedades comuns, os experimentos também sugerem diferenças importantes entre os dois sistemas. Aqui, relatamos a supercondutividade ajustável por gate em 2-DEGs gerada na superfície de um cristal KTaO3 orientado (111) pelo simples sputtering de uma fina camada de Al. Extraímos a rigidez do superfluido dos 2-DEGs e mostramos que sua dependência da temperatura é consistente com um parâmetro de ordem supercondutora sem nó com um valor de gap maior do que o esperado dentro de um modelo simples de limite de acoplamento fraco BCS. A transição supercondutora segue o cenário Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, que não foi relatado em interfaces baseadas em SrTiO3. Nossa descoberta oferece perspectivas inovadoras para a ciência fundamental, mas também para aplicações de dispositivos em vários campos, como spin-orbitrônica e eletrônica topológica.

O tantalato de potássio KTaO3 é um isolante de banda com uma lacuna de 3,6 eV que retém uma estrutura de perovskita cúbica até a temperatura mais baixa1. Assim como o titanato de estrôncio (SrTiO3), é um material quântico paraelétrico à beira de uma instabilidade ferroelétrica que se caracteriza por uma grande permissividade a baixa temperatura (ϵr ≃ 5000)1,2. Ambos os materiais podem ser transformados em metal por dopagem de elétrons, por meio de vacâncias de oxigênio, por exemplo. Por causa de suas propriedades comuns, foi sugerido que a supercondutividade também deveria ocorrer em KTaO3 dopado. No entanto, enquanto a supercondutividade foi descoberta há mais de meio século no SrTiO33 a granel, todas as tentativas de induzir a supercondutividade no KTaO3 falharam até agora4. Usando gating iônico, Ueno et al. poderia gerar um 2-DEG supercondutor na superfície de (001)-KTaO3, embora a uma temperatura muito baixa (Tc ≃ 40 mK)5. Explorações posteriores de KTaO3 2-DEGs não evidenciaram qualquer supercondutividade até o início do ano de 2021, quando dois artigos relataram a descoberta de supercondutores 2-DEG formados na interface entre (111)-KTaO3 e camadas isolantes de LaAlO3ou EuO6,7. Um aumento empírico de Tc com densidade eletrônica foi proposto com um valor máximo de 2,2 K para dopagem de ≈ 1,04 × 1014e− × cm−2 6, que é quase uma ordem de grandeza maior do que na interface LaAlO3/SrTiO38. Um controle de efeito de campo elétrico do Tc também foi demonstrado em um dispositivo de barra Hall7 e um diagrama de fase supercondutora em forma de cúpula semelhante ao das interfaces baseadas em SrTiO3 foi derivado9,10. Após esta descoberta, a interface KTaO3 orientada para (110) também foi supercondutora com Tc ≃ 1 K11. Recentemente foi proposto que o modo óptico transversal suave, envolvido na paraeletricidade quântica, poderia ser responsável pelo pareamento de elétrons nas interfaces KTaO3. Espera-se que a amplitude de acoplamento entre este modo fônon e os elétrons seja máxima na orientação (111) e mínima na orientação (001), o que explicaria a hierarquia em Tc observada nestes 2-DEGs12 supercondutores.

Em supercondutores convencionais, bem descritos pela teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), a transição supercondutora é controlada pela quebra de pares de Cooper à medida que a temperatura excede a escala de energia definida pelo gap supercondutor. Entretanto, em supercondutores bidimensionais, a rigidez do superfluido, ou seja, a energia associada à rigidez de fase do condensado supercondutor, pode ser comparável à energia de emparelhamento, permitindo uma supressão de Tc impulsionada pela perda de coerência de fase. Nesse caso, espera-se que a transição pertença à classe de universalidade Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT), onde a transição é controlada pela desvinculação de pares topológicos vórtice-antivórtice13,14,15. As medições do campo magnético crítico em (111)-KTaO3 2-DEGs, tanto na geometria perpendicular quanto na paralela, estabelecem um limite superior, d ≈ 5 nm, na extensão do 2-DEG no substrato6. Isso é menor que o comprimento de coerência supercondutora, ξ ≈ 10–15 nm6, o que confirma que o 2-DEG supercondutor está dentro do limite 2D. Além disso, espera-se também que a presença de desordem identificada nesse sistema6,7 diminua a rigidez do superfluido e reforce o papel das flutuações de fase. Mesmo que as medições das características tensão-corrente na ref. 6 pode ser compatível com assinaturas indiretas de uma transição BKT, uma medição direta da rigidez do superfluido é necessária para resolver adequadamente esse problema16.