量子材料的缩影KTaO3界面超导
当今,自然科学的每一个分支都在不断膨胀,分支间也在不断融合。不过,各个学科依然呈现各自主打的学术风格,在探索拓展之路上行走时留下的各自烙印特征明显。那些结构化学和结构生物学的人们,从来不惧怕探索对象有多复杂,似乎越复杂就越兴奋。
他们如摧枯拉朽一般,横扫那些未知之地,留给读者一堆一堆、令人眼花缭乱的巨大分子结构。Ising 号称是凝聚态物理人,一直都不明白他们是如何做到"绘形绘色"地描画出那么大个头、由数百到数万个原子集聚而成的生物大分子。
那些从事材料化学合成的牛人们,则更是瞧不上太白金星的炼丹炉。听他们的学术演讲,感觉学术报告 ppt 就是如数家珍,每一页都在展示合成的新材料。
一场报告下来,有可能展示新材料数十种,却可能仅仅是半年内的成果。这番风景,常让很多凝聚态物理人瞠目结舌。图 1(A) 和 1(B) 所示乃其中某种夸张表达。
反过来,凝聚态物理人,秉承的风格是:守住并精通一门表征测量技术,如 TEM、ARPES、中子散射、高压表征;或者浸淫一种制备技术,如分子束外延、微加工技术、团簇制备、单原子 / 电子 / 光子操纵等;再到醉心于手撕一片片高质量的二维材料等。
许多人,可能半辈子都执着于某一技术或方法,并在学科发展之路上审时度势,将一个一个的新现象、老问题仔细端详,不断深入和拓展。
慢慢地,偌大一个"西湖",即便是春夏秋冬四季不同,很可能那些"苏堤春晓、曲院风荷、平湖秋月、断桥残雪、花港观鱼、柳浪闻莺、三潭印月、双峰插云、雷峰夕照、南屏晚钟"等一众绝景,在凝聚态物理人眼里都可以用能量、对称性、形态和色彩等几个简单概念一网打尽,如图 1(C) 所示。
From: A. Ohtomo & H. Y. Hwang, A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface, Nature 427, 423 (2004), https://www.nature.com/articles/nature02308
图 1. 化学或生物学中超级大分子的结构 (A) 和高效大规模化学材料合成技术之一例 (B)。而凝聚态物理,基于对称性和形态,几种准粒子集合的凝聚、激发和响应,即可描绘大部分现象和风景 (C)。
这么说,当然是调侃,但的确反映了相当一部分凝聚态人的科研思路和方法。这种方法认知,甚至可以发展到很高层次。
对量子材料人,更是如此,因为量子材料覆盖的相互作用、基元、功能,颇具复杂性和交叉融合性,有时候践行"姜太公钓鱼"和"守株待兔"理念的机会也高。量子材料人,由此将物理维度推向更低、时空尺度推向更微、能量尺度推向更小,并"领纠缠之山高、览简洁之水长"。
不妨举个例子,以作说明。这里挑选过渡金属绝缘氧化物界面二维电子气 (two - dimensional electron gas, 2DEG),作为讨论对象。Ising 乃个中后学,虽然是为了读书而读书,实则只是了解一些表浅物理而已:
(1) LaAlO3 / SrTiO3 (LAO / STO) 界面 2DEG:于贝尔实验室工作期间,那个美籍韩裔帅哥 H. Y. Hwang 与来自日本东北大学的 A. Ohtomo 博士一起,在两种大带隙绝缘体 LAO、STO 组成的异质结界面处,观测到金属导电和高迁移率载流子输运。
他们在 2004 年发表这一结果,轰动学界,并引领同行将"激光分子束外延制备高品质氧化物异质结"这一方向,推到不断彰显学科主流发现平台之高度。
(2) 界面导电机制:Hwang 他们理解的机制,立足于 LAO 一侧原子层电荷交替阶梯而导致静电极化坍塌的图像。因为极化崩塌 (polar - catastrophe),载流子不得不在层间依次转移 (transfer),诱发界面高迁移率的载流子输运。
或者,也可能诱发氧空位形成,降低能量,触发界面导电。这一机制,基于电磁学知识,简洁优美、深入人心。LAO / STO 异质结界面晶体结构和极化崩塌示意如图 2 所示。
图 2. LaAlO3 / SrTiO3 (LAO / STO) 异质结界面的极化崩塌和导电性形成示意图。这一图像似乎过于简单,远不足以囊括量子材料的山水之间。
From: A. Ohtomo & H. Y. Hwang, A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface, Nature 427, 423 (2004), https://www.nature.com/articles/nature02308
(3) 界面磁性:LAO 和 STO 本身都属于 B 位 d0 过渡金属氧化物,应无磁性。但是,这里的 2DEG,如果在适当条件下制备,却具有清晰的界面铁磁性特征。
这一结果,给了人们质疑的理由:此处的界面物理是否源于本征效应?如果界面两侧存在氧空位,就存在 Ti4+ - Ti3+ 转变的可能性。而 Ti3+ 正好携带 d1 磁性,可能是界面铁磁性的原因?这一问题曾引起长时间争论,直到今天,虽然"观测结果源于本征性质"的看法占据上风。
(4) 栅极电场调控:因为异质结由强绝缘体构成,这一界面 2DEG,给了借助栅极强电场进行界面调控的机会。
包括纵向输运、霍尔效应、磁电阻在内的输运行为,都能被栅极电场显著调控,赋予异质结走向自旋电子学应用的希望。凝聚态物理,大概从来没有这样的异质结合 2DEG,能让二维自旋输运走向如此宽阔的空间。
(5) 界面超导:合适的制备条件下,LAO / STO 界面也能产生超导。这一结果,很自然会让量子材料人兴奋。首先,LAO 和 STO 都是关联量子体系,而界面超导与铁磁性还可以共存,似乎坐实了界面超导就是非常规超导的证据。
其次,库珀对配对机制问题,更值得探索。另一方面,实验揭示,在 STO 衬底上生长的单层 FeSe,也具有很高超导转变温度。部分物理人便猜测其中机缘,乃 STO 具有反常声子特性、贡献了强电 - 声子耦合,似乎又对非常规超导的说法提出了疑问。
不过,别着急,不久前,有若干报道展示:如果用 KTaO3 (KTO) 替代 STO、制成异质结界面,在界面处也能观测到超导电性。KTO 界面超导,一下子让各种物理变得扑朔迷离。
(6) 界面 SOC 效应:与 STO 体系不同,KTO 的几个主要晶面似乎不像 STO 中 SrO和 TiO2 原子面 (参见图 2) 那般呈现电中性,给所谓的"极化崩塌"机制带来额外的复杂度。
KTO 中的 Ta5+ 属于 5d 离子,具有很强的自旋 - 轨道耦合 SOC。LAO (或 EuO 等) / KTO 之所以能超越 LAO / STO 成为当下关注点,可能是因为量子材料的主角之一 SOC 由此进入视野。
有了 SOC,界面 2DEG 除了贡献超导外,也可能贡献反常量子霍尔效应和拓扑量子态。图 3 所示乃文献中收集的一些 KTO 和 STO 异质结中自旋进动等效磁场 BSO 数据,显示 KTO 异质结的确具有强 SOC。
图 3. 文献报道的几种 KTO 异质结和 STO 异质结中等效自旋进动磁场 BSO。其中文献 Ref. [20] 发表于 1964 年,未必可靠。
(1) 栅极电压对界面 SOC 有很大影响。(2) LaVO3 / KTaO3 (LVO / KTO) 界面在零栅极电压下即展示出很强 BSO。
N. Wadehra et al, NC 11, 874 (2020), https://www.nature.com/articles/s41467-020-14689-z
相比于界面 2DEG,二维材料发展势头更为汹涌。于此,读者会质疑此类界面 2DEG 是否会因为制备和表征的困难,而丧失发展前途。毕竟,对它进行观测、表征不易,还受两侧介质钳制。
相反,vdW 等真实的二维材料则无此问题。此话虽然有其道理,但这些问题、困难的另一面却是其优势和不可替代性。正因为两侧可以用不同材料加持,界面 2DEG 携带了两侧母体施加的各种物理元素。如此优势和自由度,却是真实的 vdW 二维材料所欠缺的!
如上六条,足够 Ising 渲染:此类 2DEG,囊括了金属导电、磁性、超导、磁电阻、强电场调控、SOC、拓扑态等当下量子材料的主角阵容。这样丰富多彩的平台,自然会引得此道高人纷纷下场、切磋交流,以孕育发现。
从这个意义上,谁艺高技精,并拥有良好研究平台,谁就会"思如玉泉喷涌、收若滔滔不绝"。这也清晰说明,凝聚态物理人守住一巅、一览众山小的意气,是有客观理由和自身实力作依托的。
来自中国科技大学的凝聚态物理知名学者陈仙辉教授及其团队,在此耕耘数年。国内在此耕耘不辍的还有浙江大学谢燕武教授等团队。
多年来,仙辉老师坚守于非常规超导这一平台,每每到节气轮换之时,他的团队总能在第一时间出精兵一支、拔夺新筹。他们认真审视了 LAO / KTO 和 EuO / KTO 界面 2DEG 的此起彼伏,有如下推理与凝练:
(1) 二维超导电性的确存在,但只见诸 (110) 和 (111) 取向的 KTO 异质结中。KTO (001) 取向的异质结没有超导。与此不同,STO 三个取向的界面异质结,均能实现超导,虽然取向不同有些影响 (也给"极化崩塌"机制带来质疑)。
(2) 栅极电场能显著调控异质结界面输运和超导电性。个中根源,可能归因于栅极电场驱动载流子浓度变化和界面无序度变化。但如果样品结构质量很高,栅极电场效应则应归因于本征物理。最可能的本征物理,就是 SOC。事实上,栅极电场的确会影响 SOC,进而影响超导电性。也就是说,KTO 界面超导的 SOC 物理,不可忽视。
(3) 对界面超导临界场和各项异性的测量,更倾向于支持 KTO 界面超导乃非常规超导,进一步支持了 SOC 物理的重要性。与此对照,STO 界面超导,是否属于非常规一类,尚无确定结论。
图 4. 陈仙辉老师们展示的 EuO (111) / KTO (110) 界面超导部分数据。
仙辉老师他们这些梳理,为将目标集中到 KTO 界面超导中的 SOC 物理,提供了根据。他们与安徽大学葛炳辉教授团队合作,对 EuO (111) / KTO (110) 异质界面超导的 SOC 效应及其调控开展深入研究,完成了一篇工作,最近刊登于《npj QM》 。
读者若对相关工作的细节论证感兴趣,当屈就御览全文。这里,Ising 学习后给出一个粗浅印象,并截取部分结果示于图 4:
(1) KTO (110) 界面超导是二维超导,有各向异性的超导上临界场数据佐证,也有清晰的面内 BKT (Berezinskii - Kosterlitz - Thouless) 相变特征佐证。
(2) 施加栅极电场,能显著改变超导转变温度 Tc。理论估算的结果,与基于 SOC 影响机制所得结果大致吻合。
(3) SOC 对超导电性的影响呈现出复杂性,物理不那么简单明晰。这一认知,由磁输运和超导转变的测量数据即可揭示。
对 KTO 界面超导电性的研究,依然有诸多未解课题,需要量子材料人更多探索和甄别。陈仙辉老师们的工作,首先在氧化物界面超导这一平台中,给了 SOC 这一角色以适当定位。
其次,他们的结果,也预示 KTO 界面 2DEG 可能是拓扑超导的一条别样路径,虽然量子材料人也热心于利用超导 - 拓扑界面近邻效应来产生拓扑超导。再次,这一工作,为界面超导电性研究平台的多样性、拓展性和精细化做出了贡献,值得读者揣摩和评估。