近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝院士、項(xiàng)子霽教授研究團(tuán)隊(duì)在氧化物界面超導(dǎo)研究中取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)的研究組合作，在鐵磁性EuO和(110)取向的KTaO3(KTO)構(gòu)成的氧化物異質(zhì)結(jié)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)由鐵磁近鄰效應(yīng)導(dǎo)致的具有特殊空間變化的超導(dǎo)態(tài)，即一維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)條紋。這一結(jié)果為探索磁性和超導(dǎo)電性共存的非常規(guī)超導(dǎo)體系及其物理研究提供了新的途徑。相關(guān)研究成果于3月11日以“Superconducting stripes induced by ferromagnetic proximity in an oxide heterostructure”為題發(fā)表在《Nature Physics》。
目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為非常規(guī)超導(dǎo)配對的形成與磁性密切相關(guān)，特別是在銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體當(dāng)中，超導(dǎo)電性在相圖中都發(fā)生在磁有序態(tài)的附近，研究超導(dǎo)與磁性之間的相互作用并理解由此產(chǎn)生的非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)是凝聚態(tài)物理的重要前沿方向之一。磁性漲落被認(rèn)為是產(chǎn)生非常規(guī)高溫超導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素，同時(shí)超導(dǎo)與磁性的相互作用也會(huì)導(dǎo)致具有特殊空間調(diào)制的超導(dǎo)態(tài)，如在銅氧化物高溫超導(dǎo)體La1.875Ba0.125CuO4中，由于與空間調(diào)制的自旋-電荷條紋序的相互作用，超導(dǎo)態(tài)表現(xiàn)出一種不同尋常的維度降低行為：銅氧平面內(nèi)二維超導(dǎo)相出現(xiàn)的溫度顯著高于三維全局超導(dǎo)相形成的溫度（Phys. Rev. Lett.99, 067001 (2007)）。這種層間解耦現(xiàn)象的出現(xiàn)被認(rèn)為源于一種特殊的超導(dǎo)態(tài)即配對密度波態(tài)的形成，它具有空間振蕩的超導(dǎo)序參量和有限動(dòng)量配對。由于界面系統(tǒng)相比于單晶具有易于調(diào)控的優(yōu)勢，包含磁性結(jié)構(gòu)單元的超導(dǎo)氧化物異質(zhì)結(jié)成為研究上述奇特超導(dǎo)態(tài)及其物理規(guī)律的一類理想體系。
近年來，陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用分子束外延(MBE)技術(shù)成功生長了由鐵磁絕緣氧化物EuO和絕緣氧化物KTaO3構(gòu)成的EuO/KTO(110)異質(zhì)結(jié)，并在前期工作中發(fā)現(xiàn)了受電場調(diào)控的二維界面超導(dǎo)（npj Quantum Mater.7, 97 (2022)）；在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)界面二維電子氣載流子濃度對該體系的超導(dǎo)電性及其與鐵磁近鄰效應(yīng)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行了第一性原理計(jì)算和基于掃描超導(dǎo)量子干涉儀(Scanning-SQUID)的高精度磁測量。電輸運(yùn)測量結(jié)果表明在低載流子濃度的樣品中，界面超導(dǎo)表現(xiàn)出反常的面內(nèi)各向異性：沿面內(nèi)[001]方向施加電流時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和上臨界場都明顯高于沿面內(nèi)垂直方向（[1-10]）施加電流的情況；這種超導(dǎo)態(tài)的各向異性行為在高載流子濃度的樣品中消失。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與電流方向相關(guān)的現(xiàn)象極為罕見，它表明異質(zhì)結(jié)界面發(fā)生了超導(dǎo)態(tài)維度降低的效應(yīng)，即在二維平面內(nèi)形成了沿[001]方向的一維超導(dǎo)條紋。ScanningSQUID成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步支持了超導(dǎo)條紋相形成的結(jié)論。同時(shí)，正常態(tài)電輸運(yùn)測量發(fā)現(xiàn)只有低載流子濃度的樣品表現(xiàn)出反常霍爾效應(yīng)和磁阻回滯行為，表明界面?zhèn)鲗?dǎo)電子與EuO鐵磁性的耦合受到能帶填充的顯著影響；第一性原理計(jì)算結(jié)果表明Eu原子4f軌道與Ta原子5d軌道的雜化效應(yīng)在特定的能量范圍內(nèi)導(dǎo)致能帶產(chǎn)生自旋劈裂，與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。因此，EuO/KTO(110)異質(zhì)結(jié)中奇特的一維超導(dǎo)條紋的出現(xiàn)被證明源于超導(dǎo)電性與磁性的耦合效應(yīng)。
圖1. EuO/KTO(110)界面受能帶填充調(diào)控的面內(nèi)超導(dǎo)各向異性和鐵磁近鄰效應(yīng)
以上結(jié)果揭示了EuO/KTO(110)界面存在由鐵磁層近鄰效應(yīng)誘導(dǎo)的超導(dǎo)條紋相，提供了氧化物界面中由于超導(dǎo)電性與磁性耦合導(dǎo)致的奇異超導(dǎo)態(tài)的第一個(gè)明確實(shí)驗(yàn)證據(jù)。對該條紋相的深入研究將有助于人們理解非常規(guī)高溫超導(dǎo)體等超導(dǎo)與磁性共存體系中復(fù)雜物理現(xiàn)象及新物態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制。審稿人對該工作給出了高度評價(jià)，認(rèn)為一維超導(dǎo)條紋相的確認(rèn)是一個(gè)“革命性”的成果，并將在廣闊的物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士研究生華翔宇為文章的第一作者，項(xiàng)子霽教授和陳仙輝教授為文章的共同通訊作者。清華大學(xué)劉錚教授團(tuán)隊(duì)和翁征宇教授為本工作提供了第一性原理計(jì)算支持。復(fù)旦大學(xué)王熠華教授團(tuán)隊(duì)為本工作提供了ScanningSQUID表征。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目以及校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助，部分實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02443-x
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、科研部）
