De nouveaux supraconducteurs 2D se forment à des températures plus élevées – Technoguide

Le nouveau supraconducteur interfacial a de nouvelles propriétés qui soulèvent de nouvelles questions fondamentales et pourraient être utiles pour le traitement de l’information quantique ou la détection quantique.

Les interfaces dans les solides constituent la base d’une grande partie de la technologie moderne. Par exemple, les transistors présents dans tous nos appareils électroniques fonctionnent en contrôlant les électrons aux interfaces des semi-conducteurs. Plus généralement, l’interface entre deux matériaux quelconques peut avoir des propriétés uniques qui sont radicalement différentes de celles trouvées dans l’un ou l’autre des matériaux séparément, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes.

Comme les semi-conducteurs, les matériaux supraconducteurs ont de nombreuses implications importantes pour la technologie, des aimants pour les IRM à l’accélération des connexions électriques ou peut-être à la technologie quantique. La grande majorité des matériaux et dispositifs supraconducteurs sont en 3D, ce qui leur confère des propriétés bien comprises par les scientifiques.

L’une des questions fondamentales des matériaux supraconducteurs concerne la température de transition – la température extrêmement froide à laquelle un matériau devient supraconducteur. Tous les matériaux supraconducteurs à des pressions régulières deviennent supraconducteurs à des températures bien inférieures à la journée la plus froide à l’extérieur.

Désormais, des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie ont découvert une nouvelle façon de générer une supraconductivité 2D à une interface de matériau à une température de transition relativement élevée – bien que toujours froide. Ce supraconducteur interfacial possède de nouvelles propriétés qui soulèvent de nouvelles questions fondamentales et pourraient être utiles pour le traitement de l’information quantique ou la détection quantique.

Dans l’étude, le chercheur postdoctoral Argonne Changjiang Liu et ses collègues, travaillant dans une équipe dirigée par le scientifique des matériaux argonnais Anand Bhattacharya, ont découvert qu’un nouveau supraconducteur 2D se forme à l’interface d’un isolant à oxyde appelé KTaO3 (KTO). Leurs résultats ont été publiés en ligne dans la revue Science le 12 février.

En 2004, les scientifiques ont observé une fine couche d’électrons conducteurs entre deux autres isolants à oxyde, LaAlO3 (LAO) et SrTiO3 (STO). Il a été montré plus tard que ce matériau, appelé gaz d’électrons 2D (2DEG) peut même devenir supraconducteur – permettant le transport de l’électricité sans dissiper l’énergie. Surtout, la supraconductivité pourrait être activée et désactivée à l’aide de champs électriques, tout comme dans un transistor.

Cependant, pour atteindre un tel état supraconducteur, l’échantillon a dû être refroidi à environ 0,2 K – une température proche du zéro absolu (- 273,15 ° C), nécessitant un appareil spécialisé connu sous le nom de réfrigérateur à dilution. Même avec des températures de transition aussi basses (TC), l’interface LAO / STO a été fortement étudiée dans le contexte de la supraconductivité, de la spintronique et du magnétisme.

Dans la nouvelle recherche, l’équipe a découvert que dans KTO, la supraconductivité interfaciale pouvait émerger à des températures beaucoup plus élevées. Pour obtenir l’interface supraconductrice, Liu, l’étudiant diplômé Xi Yan et ses collègues ont développé des couches minces d’oxyde d’europium (EuO) ou de LAO sur KTO en utilisant des installations de croissance de couches minces de pointe à Argonne.

“Cette nouvelle interface oxyde rend l’application de dispositifs supraconducteurs 2D plus faisable”, a déclaré Liu. “Avec sa température de transition d’un ordre de grandeur plus élevée de 2,2 K, ce matériau n’aura pas besoin d’un réfrigérateur à dilution pour être supraconducteur. Ses propriétés uniques soulèvent de nombreuses questions intéressantes.”

Un étrange supraconducteur

De manière surprenante, cette nouvelle supraconductivité interfaciale montre une forte dépendance à l’orientation de la facette du cristal où se forme le gaz d’électrons.

Ajoutant au mystère, les mesures suggèrent la formation d’une supraconductivité en forme de bande dans des échantillons à faible dopage où les ruisseaux de régions supraconductrices sont séparés par des régions normales non supraconductrices. Ce type de formation de rayures spontanée est également appelé nématicité et se trouve généralement dans les matériaux à cristaux liquides utilisés pour les écrans.

“Les réalisations électroniques de la nématicité sont rares et d’un grand intérêt fondamental. Il s’avère que la surcouche d’EuO est magnétique, et le rôle de ce magnétisme dans la réalisation de l’état nématique dans KTO reste une question ouverte”, a déclaré Bhattacharya.

Dans leur article scientifique, les auteurs discutent également des raisons pour lesquelles le gaz d’électrons se forme. En utilisant des microscopes électroniques à transmission à résolution atomique, Jianguo Wen au Center for Nanoscale Materials à Argonne, ainsi que le groupe du professeur Jian-Min Zuo à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont montré que les défauts formés lors de la croissance de la surcouche peuvent jouer un rôle central. rôle.

En particulier, ils ont trouvé des preuves de lacunes d’oxygène et de défauts de substitution, où les atomes de potassium sont remplacés par des ions d’europium ou de lanthane – qui ajoutent tous des électrons à l’interface et la transforment en un conducteur 2D. En utilisant des rayons X ultra-lumineux à la source avancée de photons (APS), Yan, avec les scientifiques argonnais Hua Zhou et Dillon Fong, ont sondé les interfaces de KTO enfouies sous la couche superposée et observé les signatures spectroscopiques de ces électrons supplémentaires près de l’interface.

«Les boîtes à outils radiographiques sensibles à l’interface disponibles à l’APS nous permettent de révéler la base structurelle de la formation 2DEG et la dépendance inhabituelle des facettes cristallines de la supraconductivité 2D. Une compréhension plus détaillée est en cours», a déclaré Zhou.

Au-delà de la description du mécanisme de formation du 2DEG, ces résultats indiquent la voie pour améliorer la qualité du gaz électronique interfacial en contrôlant les conditions de synthèse. Etant donné que la supraconductivité se produit à la fois pour les superpositions d’oxyde EuO et LAO qui ont été essayées jusqu’à présent, de nombreuses autres possibilités restent à explorer.

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