基于氧化物界面的超导输运研究

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2004年,Ohtomo和Hwang在两个绝缘性的氧化物材料SrTiO3和LaAlO3的界面发现了导电的二维电子系统,继而引发了关于氧化物异质界面持续的研究热潮。特别的是,其界面二维电子系统具有非常丰富的新奇物性,包括非单调栅压调控的Rashba自旋轨道耦合和超导电性,以及超导和磁性共存等。多种自由度和有序态之间的竞争耦合使得氧化物界面成为探索非常规超导电性的理想平台。此外,界面丰富可控的物理效应也为通过异质结构构筑实现新奇超导输运提供了新的契机。本论文基于LaAlO3/SrTiO3和LaAlO3/KTaO3两种典型的氧化物界面进行了超导输运研究。我们生长了高质量的 LaAlO3/SrTiO3(001)和 LaAlO3/KTaO3(111)样品,并用它们制备了霍尔器件和金属/超导体隧穿器件,对氧化物界面的超导电性以及隧穿结的超导输运进行探索。主要获得的成果如下:(1)基于LaAlO3/SrTiO3界面的零偏压电导峰研究我们构筑了由常规超导体Nb和LaAlO3/SrTiO3组成的二维电子系统/超导体杂化结。通过隧穿输运表征,我们观察到零偏压电导峰,且其随栅压的变化呈现非单调依赖行为,这与LaAlO3/SrTiO3界面的Rashba自旋轨道耦合的变化一致。系统的分析表明,被观察到的零偏压电导峰可以归因于无反射隧穿效应,而它们的栅压依赖可被自旋轨道耦合增强量子相位相干解释。更进一步,我们从理论上证明,当近邻效应足够强,Rashba自旋轨道耦合可以直接增强二维电子系统/超导体结中的安德烈夫电导。该工作成功揭示了一种自旋轨道耦合和超导隧穿效应之间的非平庸联系,并为在栅压可控的超导杂化结中实现拓扑超导提供了新思路。(2)LaAlO3/SrTiO3界面的超导电性研究通过对LaAlO3/SrTiC3霍尔器件的磁输运性质表征,我们发现LaAlO3/SrTiO3界面的超导临界电流可以被平行磁场反常地增强,转变磁场在10 mT左右。磁阻和磁性测量的结果显示同样在10 mT左右,LaAlO3/SrTiO3的磁畴发生了翻转。此外,栅压调控的数据表明临界电流增强幅度在Lifshitz转变点处发生强烈的变化。Lifshitz转变指的是二维电子系统的能带由单一的dxy轨道占据转变为dxy和dxz,yz轨道混合占据。经过系统的分析,我们将这些现象归因于LaAlO3/SrTiO3界面可能的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov态,它是一种配对动量非零的新奇超导态。(3)基于LaAlO3/KTaO3界面的超导隧穿谱研究LaAlO3/KTaO3(111)界面的超导电性最近被发现,但是其超导配对对称性仍不清楚。基于此,我们构造了金属/LaAlO3/KTaO3(111)隧穿结并测试了隧穿电导谱。在LaAlO3的厚度较薄时,我们观察到关于零偏压对称的双电导峰和双电导谷。在LaAlO3的厚度较厚时,我们观察到U形超导能隙。通过系统的理论模型分析,这类耦合强度依赖的超导隧穿行为可以归因于LaAlO3/KTaO3界面可能的p波超导电性。我们的结果一方面为探索非常规超导性开辟了一条新途径,另一方面也为基于氧化物界面的马约拉纳费米子的固态实现提供了可能的平台。我们的发现揭示了氧化物界面是探索和调控新奇超导输运的理想平台。这些结果不仅为关联电子系统和非常规超导电性研究的进一步发展提供了动力,并且在超导自旋电子学和拓扑量子计算等前沿领域也具有重要意义。
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