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由于磁性和超導配對之間的密切關聯(lián)引起了研究者的關注，科學家開始探索磁性與超導性之間的相互作用對非常規(guī)超導態(tài)產生的影響。磁性能夠在銅基和鐵基材料中實現超導配對的實空間調制，這引發(fā)了對這種效應的探索，以闡明非常規(guī)超導性的機制。然而，磁性與超導配對之間的競爭和耦合過程存在一些問題，尚待解決。特別是，對于形成在復雜氧化物界面上的超導態(tài)，其超導性質如何受到磁性的影響以及在空間上如何變化，尚未得到充分理解。

成果簡介

有鑒于此，中科院強耦合量子材料物理重點實驗室Ziji Xiang教授團隊聯(lián)合陳仙輝院士等人進行了一系列實驗和分析，尤其關注在KTaO₃和鐵磁性EuO之間形成的界面。他們通過電輸運測量等手段，研究了在此界面上形成的超導態(tài)的特性，特別是在低載流子密度和高載流子密度樣品中的行為差異，相關成果以題為“Superconducting stripes induced by ferromagnetic proximity in an oxide heterostructure” 發(fā)表于頂刊nature physics。本研究對非常規(guī)超導性的理解提供了重要見解，同時也為后續(xù)研究者理解磁性和超導性之間的相互作用機制提供了新的視角和理解。

圖文導讀

為了深入了解在鐵磁性氧化銪（EuO）和立方鈦酸鉀（KTaO₃，簡稱KTO）之間形成的二維電子氣（2DEG）中超導性和磁性之間的相互作用，研究者通過分子束外延制備了EuO/KTO（110）異質結構。圖1展示了該異質結構的關鍵特性。圖1a描繪了KTO（110）晶格結構的（110）平面，并通過圖中插圖展示了其三層離子的分布。圖1b展示了在EuO/KTO（110）異質結構上制備的Hall-bar圖案，其中設備1和設備2具有不同的尺寸。圖1c是制備好的Hall-bar器件的照片。研究者通過調控生長參數成功實現了不同載流子密度（ns）的2DEG，圖1d顯示了不同ns樣品的二維阻抗隨溫度變化的結果。

值得注意的是，在低溫下，低載流子密度（低ns）樣品表現出沿[001]方向施加電流的較高電阻。圖1e和1f分別展示了高ns和低ns樣品的電阻性超導轉變，引人注目的是在低ns樣品中，改變電流方向引起了Tc的顯著變化。這表明超導性在低ns 2DEG中存在空間異質性，對研究超導與磁性相互作用提供了新視角。

圖1. 在KTO（110）表面形成的2DEG以及EuO/KTO（110）界面樣品上的輸運測量

圖2展示了在EuO/KTO(110)界面上的高載流子密度（ns）和低載流子密度條件下，超導性的上臨界磁場（Hc2）的研究結果。作為評估超導性的關鍵參數，Hc2在研究超導材料性能和理解超導機制中具有重要意義。為了深入了解在不同載流子密度條件下的超導性質，研究者采用了外磁場方向和電流方向的依賴性測量。在高ns樣品中（圖2a-c），Hc2隨著溫度的變化呈現出可預測的行為，且電流方向依賴性可以忽略。然而，在低ns樣品中（圖2d-f），Hc2的行為則顯著不同。無論是沿[001]方向還是<1-10>方向，Hc2都依賴于電流方向：沿[001]方向測量的Hc2均高于沿<1-10>方向的Hc2，這種現象在所有磁場方向和溫度下都是如此。

這導致了一個有趣的現象，即在H-T相圖中出現了廣泛的區(qū)域，超導性僅在[001]方向存在，而在垂直方向則消失。值得注意的是，Hc2的測量結果還顯示了Pauli順磁限制被顯著超過，并且在低ns樣品中，Hc2(T)∥<1-10>在接近Tc時出現了奇怪的曲率變化，無法通過傳統(tǒng)模型解釋。這些發(fā)現突顯了在不同載流子密度下超導性質的顯著差異，并為作者理解界面超導性提供了重要見解。

圖2. 具有高和低ns的超導2DEG的上臨界場在EuO/KTO（110）界面上

圖3展示了在低載流子密度（ns）的EuO/KTO(110)界面上的掃描SQUID測量結果和超導態(tài)的示意圖。首先，圖3a展示了在掃描區(qū)域內測得的磁矩圖像，顯示了EuO覆層中的磁性域。與此同時，圖3b的磁化率圖像揭示了相同區(qū)域內磁化率的空間均勻性。此外，圖3c顯示了通過掃描SQUID技術在低載流子密度樣品上測得的磁化率χ的溫度依賴性曲線。這些曲線顯示了兩個反鐵磁轉變，其溫度與輸運測量中定義的超導轉變溫度Tc一致。

結合輸運和掃描SQUID數據，實驗結果強烈暗示了在EuO/KTO(110)界面上出現了非常規(guī)的超導態(tài)。磁矩圖像和磁化率圖像的結果表明，超導態(tài)在整個界面上均勻分布。此外，通過比較電流方向依賴的Tc和磁化率中的雙重轉變特征，研究者發(fā)現了兩個具有高度方向性的超導相。這表明在界面上存在相干的Cooper對形成的離散超導通道，這些通道只有在特定方向的電流路徑下才會出現零電阻。

圖3. 掃描SQUID測量和（低ns）EuO/KTO（110）界面上超導態(tài)的示意圖

圖4展示了低載流子密度（ns）樣品與鐵磁EuO覆蓋層之間的耦合關系。在高載流子密度2DEG中，霍爾效應是線性的，類似于電子，并且沒有明顯特征（見圖4a）。然而，在低載流子密度2DEG中，在低溫下可以分辨出異常霍爾效應（AHE），其開始溫度約為70 K（見圖4b）。此外，在低載流子密度2DEG的平面磁電阻中觀察到了蝴蝶形的滯回環(huán)，隨著ns的增加而縮小，當ns約為8.6 × 1013 cm-2時消失（見圖4c）。這表明低載流子密度2DEG受到EuO覆蓋層鐵磁性的影響，而高載流子密度2DEG則不受影響。此外，作者通過第一性原理計算發(fā)現，鐵磁性鄰近效應與載流子密度之間存在強烈的填充依賴性。

計算結果表明，當填充變化在合理范圍內時，鐵磁性鄰近效應顯著依賴于載流子密度的變化。此外，作者還通過投影DFT波函數的軌道權重，發(fā)現KTO/EuO異質結的導帶可以最優(yōu)地追溯到KTO的體相Ta 5d帶。這些結果揭示了在低載流子密度樣品中，2DEG與覆蓋層鐵磁性之間存在的耦合機制，為未來的理論研究提供了重要基礎。

圖4. 由帶填充控制的2DEG與鐵磁性EuO覆層之間的耦合

總結展望

本研究揭示了在二維電子氣（2DEG）與鐵磁性氧化物覆層之間的復雜耦合機制，為探索超導性與磁性競爭的新型材料系統(tǒng)提供了重要線索。通過研究不同載流子密度下的2DEG，作者發(fā)現低密度樣品中的超導性表現出明顯的方向依賴性，這一現象與EuO覆層的鐵磁性密切相關。

此外，第一性原理計算揭示了鐵磁性和超導性之間的耦合是能量和軌道依賴的，表現為不同的自旋極化和軌道成分。這些發(fā)現不僅有助于深入理解鐵磁性和超導性之間的相互作用機制，還為設計和構建具有特定性能的新型超導體和磁性材料提供了理論指導。此外，作者的研究為理解其他氧化物界面和異質結的性質提供了一個有益的范例，為開發(fā)更多基于界面調控的新型功能材料系統(tǒng)奠定了基礎。

文獻信息

Hua, X., Zeng, Z., Meng, F. et al. Superconducting stripes induced by ferromagnetic proximity in an oxide heterostructure. Nat. Phys. (2024).?

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