Re-entrant superconductivity at an oxide heterointerface

技術要約：酸化物ヘテロ界面における再入超伝導

問題提起
超伝導は、通常、ゼーマン効果によるクーパー対の破壊、または渦（ボルテックス）形成という2つの主要なメカニズムを通じて磁場によって抑制される。3次元材料において、磁場誘起の超伝導安定化（再入超伝導、RSC）の稀な事例は存在するが、これらはしばしばジャッカロ・ピーター効果や強い強磁性揺らぎに起因するとされている。しかし、このような現象は2次元（2D）系においてはほとんど未開拓である。2D系におけるこれまでの観測例は、強いスピン軌道相互作用（SOC）や固有の磁性を欠いたモアレ・パターンを持つグラフェンに限定されており、そのような文脈におけるRSCの起源は不明なままである。中心となる課題は、固有の磁気秩序に依存することなく、強いSOCと調整可能な電子特性を活用して、RSCのメカニズムを理解するための2D系を特定し、特徴付けることである。

手法
本研究では、LaTiO$_3$とKTaO$_3$のエピタキシャル（110）配向界面を調査している。研究では、試料作製のための分子線エピタキシー（パルスレーザー堆積法）、低温電気輸送測定、および第一原理理論モデリングを組み合わせて用いている。

• デバイス作製と特性評価： デバイスは、電荷キャリア密度（$n$）および超伝導転移温度（$T_c$）をインサイチュ（in situ）で静電的に制御するために、KTaO$_3$基板の裏面をゲート電極として利用している。異方性を調べるために、2つの直交する結晶方向（[001]および[1-10]）に沿って電流を測定している。
• 実験プロトコル： 縦方向抵抗（$R_{xx}$）を、温度、面内磁場（$B$）、およびバックゲート電圧（$V_{BG}$）の関数として測定する。磁場は、軌道効果を最小限に抑え、スピン関連の現象を孤立させるために、界面に対して平行に印加される。
• 理論モデリング： 著者らは、バンド構造とフェルミ面のトポロジーを決定するためにab initio計算を用いている。ブリルアンゾーン境界付近のファン・ホーブ特異点（van Hove singularity）を含む有効質量ハミルトニアンに基づいた理論モデルを構築し、ドレスルハウス型のスピン軌道相互作用を導入している。このモデルは、磁場駆動によるフェルミ面の変形と、それに伴う状態密度およびクーパー対形成の変化との相互作用を分析する。

主な結果

1. 再入超伝導の観測： 主要な知見は、LaTiO$_3$-KTaO$_3$ (110)界面におけるRSCの観測である。面内磁場を掃引すると、超伝導状態は最初に抑制される（抵抗が非ゼロになる）が、より高い磁場において再び出現し、約 $B = 0.9$ Tで抵抗ピークを生じる。この抵抗ピークが2つの超伝導相を隔てている。
2. ゲートによる制御性と堅牢性： この現象は、バックゲート電圧によって調整可能な広い範囲の電荷キャリア密度において発生する。超伝導を抑制するために必要な臨界磁場は、$V_{BG}$が減少する（キャリア密度が低下する）につれて増加する。抵抗ピークの位置は、ゲート電圧や温度に関わらず0.9 Tに固定されているが、その振幅は$V_{BG}$に対して非単調な依存性を示す。
3. 従来のメカニズムの排除：
   • ゼーマン効果： ピーク位置は、Clogston-Chandrasekharの常磁性限界とは異なり、$T_c$やゲート電圧に依存しないため、ピークはゼーマン分裂の直接的な結果ではないことが示唆される。
   • 渦（ボルテックス）形成： 磁束貫入によってピークを説明するために推定されたコヒーレンス長は、波動関数の広がり（$\approx 45$ nm）が、典型的な伝導層の厚さ（$\le 10$ nm）を大幅に上回っており、渦の貫入が起源である可能性を排除している。
   • 磁気秩序： ホール抵抗または縦方向抵抗の測定においてヒステリシスは観察されず、固有の強磁性または反強磁性秩序の不在を示している。したがって、この効果はジャッカロ・ピーター効果や、磁気揺らぎに駆動される重い電子系RSCとは異なるものである。
4. 理論的説明： 著者らは、RSCを、強いラシュバ/ドレスルハウス型のスピン軌道相互作用と、フェルミレベル付近のファン・ホーブ特異点との相互作用に帰属させている。理論計算によれば、(110)配向は$\Gamma$–X方向に沿ってほぼ平坦なバンドを形成する。印加された磁場は、この特異点付近のフェルミ面を変形させ、状態密度とペアリング運動量を変化させる。この競合により、磁場に対する$T_c$の非単調な依存性（$T_c(B)$）が生じ、特定の磁場値で極小値を示す。実験温度がこの極小値とゼロ磁場$T_c$の間に位置する場合、2つの超伝導相の間に抵抗領域が現れる。

意義と主張
本論文は、これまで研究されてきた3次元材料やグラフェンベースのシステムとは異なる、新しい効果を探求するための堅牢なプラットフォームを確立したと主張している。

• 新規メカニズム： これらの知見は、2次元系における再入超伝導が、固有の磁性を必要とせず、スピン軌道相互作用とバンド構造の特異点（ファン・ホーブ特異点）の複雑な相互作用から生じ得ることを示唆している。
• 非従来型超伝導のプラットフォーム： LaTiO$_3$-KTaO$_3$界面は、界面対称性、スピン軌道相互作用、およびバンド構造を静電ゲートによって微細に調整できるユニークな系を提供している。これにより、RSCの微視的な起源や、異なるペアリング対称性を持つ可能性のある超伝導状態間の相転移を調べることが可能となる。
• 過渡状態： 中間磁場における低抵抗ピークの観測は、2つの超伝導相を隔てる過渡状態の存在を示唆しており、低次元系における超伝導の微視的な性質を理解するための新しい道を開くものである。

著者らは、この観測は酸化物界面に限定されるものではなく、平坦なバンドと強いスピン軌道相互作用を特徴とする他の材料プラットフォームにも拡張可能であり、磁場による超伝導の安定化に関する新たな洞察を与えるものであると結論付けている。