Re-entrant superconductivity at an oxide heterointerface

Résumé technique : Supraconductivité réentrante à une hétérointerface d'oxyde

Énoncé du problème
La supraconductivité est classiquement supprimée par les champs magnétiques via deux mécanismes primaires : la rupture des paires de Cooper par l'effet Zeeman ou l'induction de la formation de vortex. Bien que des cas rares de stabilisation de la supraconductivité induite par un champ magnétique (supraconductivité réentrante, ou RSC) existent dans les matériaux tridimensionnels — souvent attribués à l'effet Jaccarino-Peter ou à de fortes fluctuations ferromagnétiques — ce phénomène reste largement inexploré dans les systèmes bidimensionnels (2D). Les observations précédentes dans les systèmes 2D sont limitées au graphène à motifs de moiré, un système dépourvu de fort couplage spin-orbite (SOC) et de magnétisme intrinsèque, laissant incertain l'origine de la RSC dans de tels contextes. Le défi central consiste à identifier et caractériser la RSC dans un système 2D où un fort SOC et des propriétés électroniques ajustables peuvent être exploités pour comprendre les mécanismes sous-jacents sans dépendre d'un ordre magnétique intrinsèque.

Méthodologie
L'étude examine l'interface épitaxiale orientée (110) entre le LaTiO$_3$ et le KTaO$_3$. La recherche emploie une combinaison de croissance par épitaxie par jets moléculaires (déposition par laser pulsé), de mesures de transport électrique à basse température et de modélisation théorique de premier principe.

• Fabrication et caractérisation des dispositifs : Le dispositif utilise la face arrière du substrat de KTaO$_3$ comme électrode de grille pour ajuster électrostatiquement in situ la densité de porteurs de charge ($n$) et la température de transition supraconductrice ($T_c$). Le courant est mesuré le long de deux directions cristallographiques orthogonales ([001] et [1-10]) pour sonder l'anisotropie.
• Protocole expérimental : La résistance longitudinale ($R_{xx}$) est mesurée en fonction de la température, du champ magnétique plan ($B$) et de la tension de grille arrière ($V_{BG}$). Le champ magnétique est appliqué parallèlement à l'interface pour minimiser les effets orbitaux et isoler les phénomènes liés au spin.
• Modélisation théorique : Les auteurs utilisent des calculs ab initio pour déterminer la structure de bandes et la topologie de la surface de Fermi. Un modèle théorique est développé basé sur un hamiltonien de masse effective incorporant une singularité de van Hove à la limite de la zone de Brillouin et un couplage spin-orbite de type Dresselhaus. Ce modèle analyse l'interaction entre la déformation de la surface de Fermi induite par le champ magnétique et les changements résultants de la densité d'états et de l'appariement de Cooper.

Résultats clés

1. Observation de la supraconductivité réentrante : La découverte principale est l'observation de la RSC à l'interface LaTiO$_3$-KTaO$_3$ (110). Lorsque le champ magnétique plan est balayé, l'état supraconducteur est initialement supprimé (la résistance devient non nulle) mais réémerge à des champs plus élevés, créant un pic résistif à environ $B = 0,9$ T. Ce pic résistif sépare deux phases supraconductrices.
2. Ajustabilité par grille et robustesse : Le phénomène se produit sur une large gamme de densités de porteurs de charge, qui sont ajustables via la tension de grille arrière. Le champ critique requis pour supprimer la supraconductivité augmente lorsque $V_{BG}$ diminue (ce qui correspond à une densité de porteurs plus faible). La position du pic résistif reste fixe à 0,9 T quel que soit la tension de grille ou la température, tandis que son amplitude présente une dépendance non monotone vis-à-vis de $V_{BG}$.
3. Exclusion des mécanismes conventionnels :
   • Effet Zeeman : La position du pic est indépendante de $T_c$ et de la tension de grille, contrairement à la limite paramagnétique de Clogston-Chandrasekhar, suggérant que le pic n'est pas un résultat direct de l'éclatement Zeeman.
   • Formation de vortex : La longueur de cohérence estimée pour expliquer le pic via la pénétration de flux produit une étendue de la fonction d'onde ($\approx 45$ nm) qui dépasse considérablement l'épaisseur typique de la couche conductrice ($\le 10$ nm), excluant la pénétration de vortex comme origine.
   • Ordre magnétique : Aucune hystérésis n'est observée dans les mesures de l'effet Hall ou de la résistance longitudinale, indiquant l'absence d'ordre ferromagnétique ou antiferromagnétique intrinsèque. L'effet est donc distinct du mécanisme Jaccarino-Peter ou de la RSC des métaux lourds pilotée par des fluctuations magnétiques.
4. Explication théorique : Les auteurs attribuent la RSC à l'interaction entre un fort couplage spin-orbite de type Rashba/Dresselhaus et une singularité de van Hove proche du niveau de Fermi. Les calculs théoriques montrent que l'orientation (110) crée des bandes presque plates le long de la direction $\Gamma$–X. Le champ magnétique appliqué déforme la surface de Fermi près de cette singularité, modifiant la densité d'états et le moment d'appariement. Cette compétition conduit à une dépendance non monotone de $T_c$ vis-à-vis du champ magnétique ($T_c(B)$), présentant un minimum à une valeur de champ spécifique. Lorsque la température expérimentale se situe entre ce minimum et la $T_c$ à champ nul, une région résistive apparaît entre deux phases supraconductrices.

Signification et revendications
L'article affirme établir une plateforme robuste pour explorer des effets nouveaux dans les supraconducteurs bidimensionnels, distincts des systèmes 3D ou des systèmes à base de graphène précédemment étudiés.

• Mécanisme novateur : Les résultats suggèrent que la supraconductivité réentrante dans les systèmes 2D peut provenir de l'interaction complexe entre le couplage spin-orbite et les singularités de la structure de bandes (singularités de van Hove), plutôt que de nécessiter un magnétisme intrinsèque.
• Plateforme pour la supraconductivité non conventionnelle : L'interface LaTiO$_3$-KTaO$_3$ offre un système unique où la symétrie d'interface, l'interaction spin-orbite et la structure de bandes peuvent être finement ajustées via une grille électrostatique. Cela permet de sonder les origines microscopiques de la RSC et les transitions de phase entre des états supraconducteurs possédant potentiellement des symétries d'appariement différentes.
• États transitoires : L'observation d'un pic de faible résistance à des champs magnétiques intermédiaires suggère l'existence d'un état transitoire séparant deux phases supraconductrices, offrant une nouvelle voie pour comprendre la nature microscopique de la supraconductivité dans les systèmes de faible dimension.

Les auteurs concluent que cette observation n'est pas limitée aux interfaces d'oxydes mais peut s'étendre à d'autres plateformes de matériaux présentant des bandes plates et un fort couplage spin-orbite, offrant de nouvelles perspectives sur la stabilisation de la supraconductivité par des champs magnétiques.