材料的表面與介面時常會展現出一些和體內完全不同的物理性質。2004年科學家發現當把絕緣的LaAlO3薄膜層生長到同是絕緣的SrTiO3表面上時，在介面處意外地發現了非常高的導電性。研究發現介面處產生了額外的電荷載流子，由於受到量子約束這些載流子的行為類似於一個二維的電子氣。當用稀釋製冷機把樣品降到極低溫（0.2 K 附近）時，該二維電子氣進一步發生了超導相變 （電阻為零），形成了二維超導體。在隨後的十幾年裡這個基於SrTiO3的氧化物介面超導體系開創了許多研究分支。
最近美國阿貢國家實驗室的研究團隊報導了一個新的氧化物介面二維超導體系。博士後研究員劉長江發現，單晶氧化物KTaO3（KTO）表面形成的二維電子氣在2.2 K附近時出現超導現象。超導臨界溫度比基於SrTiO3 （STO）的介面體系提高了10倍。該溫度區間不需要稀釋製冷裝置就能實現，為今後實驗研究以及開發利用二維超導電子器件提供了極大的便利。同時實驗上觀察到KTO介面超導具有一些非同尋常的奇異性質，這為二維超導機理的研究提供了一個新的平臺。2021年1月21日，該研究工作以First Release的形式在Science 雜誌線上發表，題目是“Two-dimensional superconductivity and anisotropic transport at KTaO3 (111) interfaces”。
圖1，在EuO/KTO (111) 樣品中觀察到超導電性
KTO和STO兩種經典鈣鈦礦體系有很多相似的地方。它們都是帶隙絕緣體，並且它們的介電常數隨著溫度的降低都會增大很多。在KTO中Ta是5d族元素，有很大的自旋軌道耦合作用（比STO中的要大一個量級），因此KTO的能帶中有更大的自旋劈裂。圖1是實驗中在KTO介面測量到超導轉變。四個EuO/KTO樣品有不一樣的載流子濃度，對應的超導臨界溫度也不一樣。
圖2，在LAO/KTO (111) 表面同樣觀察到超導電性
實驗發現超導態的形成並不依賴於KTO表面生長的氧化物覆蓋層的種類。研究中分別使用了EuO和LaAlO3 (LAO) 氧化物覆蓋層來產生二維電子氣。測量發現使用LAO氧化層的二維電子氣同樣可以發生超導相變 （圖2）。這個結果為實驗研究帶來很大的便利。科研人員可以根據薄膜生長裝置選取合適的覆蓋層材料。
圖3，二維超導示意圖
透過測量超導態面內和麵外的臨界磁場，以及臨界電流中的BKT相變，研究人員確認了KTO介面的超導態是完全二維屬性的。圖3示意了二維超導的影象。一個樣品在實驗中得到的超導態厚度為5 nm 左右，比其超導相干長度13 nm要小。
圖4， EuO/KTO介面附近原子結構表徵
進一步研究發現，KTO介面的超導電性具有一些不同尋常的特性。首先，超導態的形成非常依賴於KTO表面的晶體學取向。研究發現在KTO（111）晶面上的電子氣可以發生超導相變，而當把二維電子氣製備到（001）面上時，（載流子濃度和（111）面上的基本一樣），即使把溫度降到25 mK 也不會出現超導。這個晶體學取向依賴的現象和LAO/STO體系有很大的不同。在LAO/STO體系中，介面超導的出現和STO的晶面取向沒有關係。研究者們使用了掃描透射電鏡 （STEM）（圖4）以及電子能量損失光譜 （EELS），對不同的KTO介面做了結構和化學成分的表徵。結果發現在KTO介面處的幾個原子層內有氧空位的形成以及K原子位置出現了一些Eu或者La元素。這些摻雜過程促使介面產生了巡遊電子。在比較（111）和（001）取向的樣品時，研究者發現它們的介面元素組成類似。因此超導的出現和介面化學元素沒有太大關係。
從結構上看，KTO（111）面上Ta原子排布形成一個六方蜂窩狀，類似於石墨烯。之前角分辨光電子能譜（ARPES）發現KTO（111）表面的電子氣具有一個獨特的六重對稱性費米麵。或許KTO（111）面上發現的超導和這種特殊的電子能帶結構有關。比如2018年在轉角雙層石墨烯中發現的超導便和魔角處的能帶結構密切相關。關於KTO介面超導的機制目前還需要理論上做進一步研究論證。
圖5，面內輸運自發對稱性破缺
另一個比較奇特的現象是EuO/KTO（111）樣品的輸運性質會出現自發的面內對稱性破缺。這一現象在低載流子濃度的樣品中尤其明顯。圖5顯示，當溫度從較高溫度降到2.2 K附近時，沿著面內 [1 -1 0] 和 [1 1 -2] 兩個方向的電阻有很大不同。具體是電流沿著 [1 -1 0] 晶向測到的電阻（紅色資料）突然變大，而沿著 [1 1 -2] 方向的電阻會自發減小。在一段溫度區間內（綠色背景部分）體系具有非常大的各項異性。這個現象唯象上可以理解為電子態在（111）面上自發形成了條紋相（stripe phase）調製結構。平行和垂直條紋兩個方向的電阻相差很大。當溫度繼續降低時，最終沿著兩個晶向的電阻都降為零，進入了完全超導態。
圖6，各向異性的超導示意圖
實驗中發現條紋相隨著外加磁場的增大最終會被抑制掉，得到一個各向同性的正常態。目前對這個面內自發對稱性破缺的機制還不明確。圖6 描繪了一個可能的物理影象。KTO （111）面上的超導相干強度可能有各向異性。沿著扶手椅（armchair，[1 1 -2] ）邊（圖中豎直方向），超導具有更強的相干性。在圖中用了淺藍色的條紋表示。這樣在系統形成全域性超導態前，沿著條紋和垂直條紋的兩個方向上將有很不一樣的輸運性質。研究者認為關於條紋相的機理需要更多的實驗研究，比如利用局域的電子結構、磁性探測技術（例如，STM，奈米ARPES或者scanning SQUID）來觀察超導電子氣是否在空間上有調製的超導能隙，或者磁矩分佈。另外值得注意的是，最近的理論計算有預測KTO（111）表面是一種可能的拓撲超導態的良好實現平臺。後續的相關研究工作非常值得關注。
這項工作由多個研究機構課題組的多位科學家合作完成。包括美國阿貢國家實驗室材料科學部門的劉長江博士（第一及通訊作者），嚴曦博士（共同一作）， Dillon Fong 博士和Anand Bhattacharya博士（通訊作者）。另外還有先進同步輻射光源（APS）的周華博士，國家奈米材料中心（CNM）的金達飛博士，文建國博士，周憲靖博士，林雨霖，美國伊利諾伊大學香檳分校左建民教授組，中國科學院物理研究所孫繼榮研究員組和北京大學量子材料中心韓偉教授組的共同參與完成。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/01/21/science.aba5511?rss=1