近日，中國科學技術(shù)大學微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、物理學院、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝院士、項子霽教授研究團隊在氧化物界面超導研究中取得重大進展。研究團隊與清華大學、復(fù)旦大學的研究組合作，在鐵磁性EuO和(110)取向的KTaO3(KTO)構(gòu)成的氧化物異質(zhì)結(jié)當中發(fā)現(xiàn)由鐵磁近鄰效應(yīng)導致的具有特殊空間變化的超導態(tài)，即一維結(jié)構(gòu)的超導條紋。這一結(jié)果為探索磁性和超導電性共存的非常規(guī)超導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》。
目前學術(shù)界普遍認為非常規(guī)超導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體當中，超導電性在相圖中都發(fā)生在磁有序態(tài)的附近，研究超導與磁性之間的相互作用并理解由此產(chǎn)生的非常規(guī)超導態(tài)是凝聚態(tài)物理的重要前沿方向之一。磁性漲落被認為是產(chǎn)生非常規(guī)高溫超導電性的關(guān)鍵因素，同時超導與磁性的相互作用也會導致具有特殊空間調(diào)制的超導態(tài)，如在銅氧化物高溫超導體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)二維超導相出現(xiàn)的溫度顯著高于三維全局超導相形成的溫度（Phys. Rev. Lett.99, 067001 (2007)）。這種層間解耦現(xiàn)象的出現(xiàn)被認為源于一種特殊的超導態(tài)即配對密度波態(tài)的形成，它具有空間振蕩的超導序參量和有限動量配對。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)單元的超導氧化物異質(zhì)結(jié)成為研究上述奇特超導態(tài)及其物理規(guī)律的一類理想體系。
近年來，陳仙輝院士團隊應(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（npj Quantum Mater.7, 97 (2022)）；在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步通過調(diào)節(jié)界面二維電子氣載流子濃度對該體系的超導電性及其與鐵磁近鄰效應(yīng)的關(guān)聯(lián)進行了系統(tǒng)研究，并與清華大學、復(fù)旦大學的研究團隊合作進行了第一性原理計算和基于掃描超導量子干涉儀(Scanning-SQUID)的高精度磁測量。電輸運測量結(jié)果表明在低載流子濃度的樣品中，界面超導表現(xiàn)出反常的面內(nèi)各向異性：沿面內(nèi)[001]方向施加電流時，超導轉(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；這種超導態(tài)的各向異性行為在高載流子濃度的樣品中消失。超導轉(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]方向的一維超導條紋。ScanningSQUID成像實驗進一步支持了超導條紋相形成的結(jié)論。同時，正常態(tài)電輸運測量發(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щ娮优cEuO鐵磁性的耦合受到能帶填充的顯著影響；第一性原理計算結(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)導致能帶產(chǎn)生自旋劈裂，與上述實驗結(jié)果相符。因此，EuO/KTO(110)異質(zhì)結(jié)中奇特的一維超導條紋的出現(xiàn)被證明源于超導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)誘導的超導條紋相，提供了氧化物界面中由于超導電性與磁性耦合導致的奇異超導態(tài)的第一個明確實驗證據(jù)。對該條紋相的深入研究將有助于人們理解非常規(guī)高溫超導體等超導與磁性共存體系中復(fù)雜物理現(xiàn)象及新物態(tài)的產(chǎn)生機制。審稿人對該工作給出了高度評價，認為一維超導條紋相的確認是一個“革命性”的成果，并將在廣闊的物理學領(lǐng)域產(chǎn)生影響。
中國科學技術(shù)大學微尺度物質(zhì)科學國家研究中心的博士研究生華翔宇為文章的第一作者，項子霽教授和陳仙輝教授為文章的共同通訊作者。清華大學劉錚教授團隊和翁征宇教授為本工作提供了第一性原理計算支持。復(fù)旦大學王熠華教授團隊為本工作提供了ScanningSQUID表征。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省引導項目以及校創(chuàng)新團隊項目的資助，部分實驗在中國科學技術(shù)大學理化科學實驗中心完成。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02443-x
（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、物理學院、科研部）
