【原】《Science Advances》：KTaO3(111)界面的各向异性超导！

最近在KTaO₃(111)界面上发现了二维各向异性超导。各向异性超导跃迁的性质仍然是一个争论的主题。在此，来自美国北卡罗莱纳州立大学的KavehAhadi等研究者，为了研究所观察到行为的起源，制备了外延KTaO₃(111)基异质结构。相关论文以题为“Anisotropic superconductivity at KTaO₃(111) interfaces”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www./doi/10.1126/sciadv.adf1414

二维(2D)超导是奇异量子现象的肥沃土壤。早期的研究主要集中在理解二维无序系统中的量子相变。最近，高晶体2D超导体已经允许观察固有的量子现象，如违反顺磁泡利极限和量子格里菲斯奇点。晶体2D超导体中的自旋轨道耦合(SOC)产生了稳健的超导状态，在异常外加磁场下仍然存在。例如，SOC与面外反转对称性破缺元素(即Rashba SOC)相结合，产生了独特的面内自旋构型，并增强了面内临界磁场。在Ising超导体中，类齐曼自旋分裂也与面内磁场竞争，使二维超导稳定性超过泡利极限。然而，在实际系统中，类似Rashba和Zeeman的SOC可以共存。此外，对称限制的自旋构型和轨道排列导致了晶体二维超导体的各向异性超导跃迁。

KTaO₃是立方钙钛矿和早期铁电。图1 (A和B)显示了KTaO₃(111)表面的晶体结构示意图。流动电子在电子掺杂样品中占据钽5d衍生的t_2g态。图1 (C和D)给出了计算得到的费米面和能带结构，展示了KTaO₃(111)二维电子气中轨道特征和自旋纹理的各向异性。图1C显示了动量空间中载流子的螺旋极化自旋纹理的实质性平面外倾斜。沿方向的面外旋转弯曲最大，沿方向的旋转弯曲完全熄灭。导电电子在低温极限下处于J = 3/2状态，这是由于有较大的SOC隙[在γ点处为0.4 eV]。由d_xy, d_yz和d_xz轨道的空间极化引起的费米口袋的三角翘曲，产生了动量依赖的态密度。图1E显示了KTaO₃(111)二维电子气(n = 6×10¹³ cm⁻²)中不同费米动量下的态密度计算结果。图1F显示了载流子密度分布和电势的Poisson-Schrödinger计算，表明传导态被限制在KTaO₃(111)界面附近(d_FWHM~3 nm)。

图1 KTaO₃(111)二维电子系统的各向异性电子结构和自旋织构

最近在KTaO₃(111)界面中发现了一种各向异性的二维超导性。对于(111)、(110)和(100)界面，临界超导温度分别为2 K、1 K和0.05 K时，超导序参数对界面取向敏感。

在这项工作中，研究者报道了分子束外延生长KTaO₃(111)外延界面中出现的各向异性超导现象。平面内临界场(H_c2)超过泡利极限，对电流和磁场方向高度敏感。研究者证明了超导电性对面内磁场具有鲁棒性，并违反泡利极限。研究者还表明，当偏向沿和磁场沿时，Cooper对更有弹性。该结果指出了未来的机会，以提高超导转变温度和临界场的结晶，二维超导体强自旋轨道耦合。

图2 LaSrMnO₃/KTaO₃(111)界面上的二维电子体系。

图3 LaSrMnO₃/KTaO₃(111)界面的各向异性超导跃迁。

图4 LaSrMnO₃/KTaO₃(111)界面H_c2平面内各向异性。

综上所述，该实验结果突出了和方向之间H_c2和T_c的很大程度的各向异性。这种各向异性产生于强三角翘曲和强SOC效应之间的相互作用。因此，像这样的KTaO₃界面应该是各种提出的理论模型的一个有趣的测试平台，这些模型将低维晶体系统中的超导性与各向异性SOC和轨道特征联系起来。这些结果指出了通过调整具有强SOC的晶体2D超导体中的电子结构和自旋纹理来增强T_c和H_c2的机会。此外，探索是否可以在其他晶体2D系统中获得类似的各向异性行为，如过渡金属二卤属化合物，也将是有趣的。（文：水生）