Los estados superconductores no convencionales son estados de superconductividad arraigados en procesos físicos que no se ajustan a la teoría convencional de la superconductividad, es decir, la teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer (BCS). Estos estados se caracterizan por estrechas interacciones entre el magnetismo y la superconductividad.
Investigadores de la Universidad de Ciencias y Tecnología de China (USTC), la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Fudan han estado tratando recientemente de comprender mejor los mecanismos subyacentes a la superconductividad no convencional. Su artículo, publicado en Física de la naturaleza, reveló la aparición espontánea de un estado superconductor que varía espacialmente en una heteroestructura de óxido, específicamente en la interfaz entre KTaO3 y EuO ferromagnético.
“Nuestro artículo reciente estudió la superconductividad no convencional en la interfaz entre KTaO orientado (110)3 (KTO) y EuO ferromagnético”, dijo a Phys.org Ziji Xiang de la USTC, coautor del artículo. "Tanto el KTO como el EuO son aislantes, pero su interfaz en dicha heteroestructura alberga un gas de electrones bidimensional (2DEG) que se vuelve superconductor a bajas temperaturas".
El reciente estudio de este equipo de investigadores tenía dos objetivos clave. El primero fue revelar nuevos estados superconductores en una heteroestructura de óxido con una capa ferromagnética (es decir, EuO). El segundo fue explorar la evolución de la superconductividad de la interfaz luego de manipulaciones experimentales específicas, como cambiar la densidad del portador (ns) de la interfaz.
"Nuestra investigación se inspira en la idea de que la superconductividad no convencional suele surgir cerca del magnetismo", dijo Xiang. “En particular, para los superconductores de alta temperatura a base de cobre y hierro, muchos de los mecanismos de emparejamiento superconductores propuestos están estrechamente relacionados con el magnetismo; Además, la interacción entre el magnetismo y la superconductividad puede dar origen a fases más peculiares de la materia, incluido el orden de ondas de densidad de pares (PDW, por sus siglas en inglés) con un parámetro de orden superconductor que oscila espacialmente y el emparejamiento de momento finito, que ha sido un intenso foco de investigación recientemente. .”
La heteroestructura EuO/KTO examinada por Xiang y sus colegas muestra un fuerte efecto de proximidad ferromagnética provocado por la capa superpuesta de EuO. Este efecto lo convierte en una plataforma ideal para estudiar la superconductividad no convencional.
"El primer informe sobre la superconductividad en la interfaz EuO/KTO se publicó en 2021, centrándose en la interfaz KTO (111)", dijo Xiang. "Desde entonces hemos trabajado en la interfaz EuO/KTO (110) (teniendo en cuenta su calidad mejorada), en la que revelamos la aparición de la superconductividad bidimensional en un artículo anterior".
Los investigadores prepararon las heteroestructuras EuO/KTO(110) utilizadas en sus experimentos utilizando una técnica conocida como epitaxia de haz molecular. Específicamente cultivaron películas de EuO sobre sustratos monocristalinos de KTO orientados (110).
“Al controlar las condiciones de crecimiento, pudimos obtener heteroestructuras con diferente densidad de portadores interfaciales ns", Dijo Xiang. “Luego fabricamos dispositivos Hall-bar estándar para realizar mediciones de transporte eléctrico. Los dispositivos Hall-bar fueron diseñados especialmente de manera que la resistencia de la interfase 2DEG se pueda medir simultáneamente para dos direcciones ortogonales de corriente eléctrica aplicada: en la superficie KTO (110), estas dos direcciones ortogonales son [001] y [1-10 ].”
Además de realizar experimentos de transporte, los investigadores analizaron las heteroestructuras utilizando una técnica de magnetometría basada en un dispositivo de interferencia superconductor de escaneo (scanning SQUID), en colaboración con el laboratorio dirigido por el profesor Yihua Wang en la Universidad de Fudan. Esta técnica les permitió caracterizar las propiedades magnéticas de sus muestras.
En colaboración con el grupo de investigación del profesor Zheng Liu en la Universidad de Tsinghua, los investigadores también realizaron una serie de cálculos de primeros principios para comprender mejor sus observaciones experimentales. Estos cálculos tenían como objetivo delinear la estructura de bandas electrónicas de la interfaz 2DEG.
"En primer lugar, nuestro transporte eléctrico reveló una anisotropía en el plano muy inusual del superconductor 2DEG en la interfaz EuO/KTO(110)", dijo Xiang. “Es decir, tanto la temperatura de transición (Tc) y el campo crítico superior (Hc2, el campo magnético en el que se rompe la superconductividad) parecen depender en gran medida de la dirección de la corriente eléctrica aplicada I; con I paralelo a [001], ambos Tc y Hc2 son mayores que en el caso del paralelo I a [1-10]. Esta dependencia direccional es muy rara entre los superconductores”.
El escaneo de imágenes de SQUID reveló la aparición de dos transiciones diamagnéticas sucesivas en las muestras del equipo. Esto sugiere que la dependencia direccional en el transporte que observaron proviene de la coexistencia submicrométrica de dos fases superconductoras.
“Con base en nuestros hallazgos, proponemos un escenario en el que la fase superconductora con mayor Tc "Es una fase de 'franja' en la que emergen haces superconductores unidimensionales (1D) alineados unidireccionalmente a lo largo de [001]", dijo Xiang.
“La superconductividad coherente se desarrolla por primera vez dentro de estas estructuras unidimensionales, dando lugar a la T direccional dependientec y Hc2. El establecimiento de la superconductividad 2D en toda la interfaz se produce sólo a una temperatura más baja”.
El segundo resultado central es que la superconductividad direccional antes mencionada solo existe en heteroestructuras con baja densidad de portadores 2DEG (ns < ~8´1013 cm-2). Para 2DEG con mayor ns, La tc y Hc2 nunca muestra ninguna dependencia de la dirección actual. Por lo tanto, la aparición de la fase de banda superconductora propuesta debe depender del llenado de la banda.
“Lo más importante es que nuestras investigaciones experimentales y teóricas sugieren que el 2DEG está fuertemente acoplado al ferromagnetismo EuO sólo en el nivel bajo-n.s muestras en las que se observa la superconductividad direccional”, dijo Xiang.
“Debido a este fuerte acoplamiento, las bandas electrónicas de 2DEG muestran una polarización de espín pronunciada. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la formación de una fase de banda superconductora debe estar estrechamente relacionada con dicho efecto de proximidad ferromagnética mejorado”.
El reciente trabajo de Xiang y sus colegas revela un estado superconductor no convencional inducido por la proximidad a una heteroestructura de óxido. Este estado, marcado por la aparición espontánea de franjas superconductoras 1D en una interfaz 2D, sirve como ejemplo de cómo se pueden reducir las dimensiones en estados superconductores.
“Este fenómeno observado nos recuerda la reducción de dimensiones reportada en el superconductor de alta temperatura de óxido de cobre La2-xBaxCuO4 (x = 1/8), donde los estados superconductores 2D se desarrollan en un sistema tridimensional debido a la interacción entre la superconductividad y los órdenes de carga/espín”, dijo Xiang.
“Se ha sugerido que estos estados superconductores 2D son estados PDW. Entonces, ¿cuál es la naturaleza de las franjas superconductoras emergentes en nuestras heteroestructuras? ¿Son también manifestaciones de un orden PDW o están asociadas con algunas fases superconductoras aún más exóticas?
En sus próximos estudios, los investigadores intentarán responder estas importantes preguntas. Hasta ahora, sus hallazgos confirman que el acoplamiento con el magnetismo juega un papel crucial en la realización de la superconductividad no convencional.
En el futuro, Xiang y sus colegas planean investigar más a fondo la fase de franja superconductora que observaron, para descubrir más sobre su emparejamiento superconductor subyacente. Esto podría permitirles comprender mejor cómo este exótico estado superconductor puede surgir de bandas electrónicas con una fuerte polarización de espín.
"Desafortunadamente, la presencia de una capa de EuO impide la aplicación de la mayoría de las sondas espectroscópicas para un estudio directo de la interfaz", añadió Xiang. “Hemos estado trabajando en el desarrollo de una técnica que mide la densidad del superfluido en la interfaz. Al rastrear la evolución de la densidad del superfluido con diferentes temperaturas, podemos obtener información valiosa sobre las propiedades termodinámicas primarias de la fase de banda superconductora, lo que podría ser un paso crucial hacia una comprensión más profunda de la nueva física involucrada”.