复旦大学徐海超/彭瑞团队Nat. Commun.: 界面超导体LaAlO3/KTaO3中取向依赖的电子结构

2024年9月4日，Nat. Commun.在线发表了复旦大学徐海超副研究员、彭瑞研究员、中国科学技术大学封东来教授和浙江大学谢燕武教授课题组的研究论文，题目为《Orientation-dependent electronic structure in interfacial superconductors LaAlO3/KTaO3》，论文的第一作者为Xiaoyang Chen。

在过去的50年里，随着半导体界面在电子和光子应用中的巨大成功，复杂氧化物之间的界面为下一代多功能器件的应用带来了新的希望。一个典型的例子是LaAlO3/SrTiO₃（LAO/STO）界面，其中「二维电子气」（2DEG）出现在两个能带绝缘体之间的界面上，并在转变温度（Tc） ~200 mK时进一步变为超导。到目前为止，其超导配对机制仍存在争议。

近年来，在LaAlO₃/KTaO₃（LAO/KTO）和EuO/KTaO₃中发现了第二类氧化物界面超导体，这很快成为新的研究热点。值得注意的是，在LAO/KTO(111)和LAO/KTO(110)中，在Tc ~ 2 K和Tc ~ 0.9 K处出现了超导性；但在LAO/KTO(001)中，在25 mK以下没有超导性。比LAO/STO更高的最佳Tc和KTO基界面上非凡的取向依赖超导性为探索氧化物绝缘体之间界面超导性的特征和机制提供了新的视角。

在此研究中，通过软X射线角分辨光电子能谱，作者直接解析了LAO/KTO界面超导体和非超导对应物的电子结构。研究发现，对界面超导性有贡献的移动电子表现出强的k⊥色散。对比超导和非超导界面，空间分布大于5.5 nm的准三维电子气普遍存在，并显示出相似的轨道占据。观察到电子-声子耦合的特征，并且有趣地依赖于界面取向。值得注意的是，更强的电子-声子耦合特征与更高的超导转变温度相关。研究观察有助于仔细研究取向依赖超导的理论，并提供了一个合理而直接的解释。界面取向效应可以在几纳米内改变电子-声子耦合强度，这为氧化物界面的应用提供了新的思路。

图1 LAO/KTO界面上的取向依赖超导性

图2 LAO/KTO(111)界面处移动电子态的准三维特征

图3 LAO/KTO(110)和LAO/KTO(001)的界面电子结构

图4 LAO/KTO界面上的取向依赖电子-声子耦合

论文链接：

Chen, X., Yu, T., Liu, Y. et al. Orientation-dependent electronic structure in interfacial superconductors LaAlO₃/KTaO₃. Nat. Commun., 2024, 15, 7704. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51969-4

相关文献：

[1] Chen, Z., Liu, Y., Zhang, H. et al. Electric field control of superconductivity at the LaAlO₃/KTaO₃(111) interface. Science, 2021, 372, 721–724. https://doi.org/10.1126/science.abb3848

[2] Chen, Z., Liu, Z., Sun, Y. et al. Two-dimensional superconductivity at the LaAlO₃/KTaO₃(110) heterointerface. Phys. Rev. Lett., 2021, 126, 026802. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.026802

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