量子材料的缩影KTaO3界面超导

　　当今，自然科学的每一个分支都在不断膨胀，分支间也在不断融合。不过，各个学科依然呈现各自主打的学术风格，在探索拓展之路上行走时留下的各自烙印特征明显。那些结构化学和结构生物学的人们，从来不惧怕探索对象有多复杂，似乎越复杂就越兴奋。
　　他们如摧枯拉朽一般，横扫那些未知之地，留给读者一堆一堆、令人眼花缭乱的巨大分子结构。Ising号称是凝聚态物理人，一直都不明白他们是如何做到绘形绘色地描画出那么大个头、由数百到数万个原子集聚而成的生物大分子。
　　那些从事材料化学合成的牛人们，则更是瞧不上太白金星的炼丹炉。听他们的学术演讲，感觉学术报告ppt就是如数家珍，每一页都在展示合成的新材料。
　　一场报告下来，有可能展示新材料数十种，却可能仅仅是半年内的成果。这番风景，常让很多凝聚态物理人瞠目结舌。图1（A）和1（B）所示乃其中某种夸张表达。
　　反过来，凝聚态物理人，秉承的风格是：守住并精通一门表征测量技术，如TEM、ARPES、中子散射、高压表征；或者浸淫一种制备技术，如分子束外延、微加工技术、团簇制备、单原子电子光子操纵等；再到醉心于手撕一片片高质量的二维材料等。
　　许多人，可能半辈子都执着于某一技术或方法，并在学科发展之路上审时度势，将一个一个的新现象、老问题仔细端详，不断深入和拓展。
　　慢慢地，偌大一个西湖，即便是春夏秋冬四季不同，很可能那些苏堤春晓、曲院风荷、平湖秋月、断桥残雪、花港观鱼、柳浪闻莺、三潭印月、双峰插云、雷峰夕照、南屏晚钟等一众绝景，在凝聚态物理人眼里都可以用能量、对称性、形态和色彩等几个简单概念一网打尽，如图1（C）所示。
　　From：A。OhtomoH。Y。Hwang，AhighmobilityelectrongasattheLaAlO3SrTiO3heterointerface，Nature427，423（2004），https：www。nature。comarticlesnature02308
　　图1。化学或生物学中超级大分子的结构（A）和高效大规模化学材料合成技术之一例（B）。而凝聚态物理，基于对称性和形态，几种准粒子集合的凝聚、激发和响应，即可描绘大部分现象和风景（C）。
　　这么说，当然是调侃，但的确反映了相当一部分凝聚态人的科研思路和方法。这种方法认知，甚至可以发展到很高层次。
　　对量子材料人，更是如此，因为量子材料覆盖的相互作用、基元、功能，颇具复杂性和交叉融合性，有时候践行姜太公钓鱼和守株待兔理念的机会也高。量子材料人，由此将物理维度推向更低、时空尺度推向更微、能量尺度推向更小，并领纠缠之山高、览简洁之水长。
　　不妨举个例子，以作说明。这里挑选过渡金属绝缘氧化物界面二维电子气（twodimensionalelectrongas，2DEG），作为讨论对象。Ising乃个中后学，虽然是为了读书而读书，实则只是了解一些表浅物理而已：
　　（1）LaAlO3SrTiO3（LAOSTO）界面2DEG：于贝尔实验室工作期间，那个美籍韩裔帅哥H。Y。Hwang与来自日本东北大学的A。Ohtomo博士一起，在两种大带隙绝缘体LAO、STO组成的异质结界面处，观测到金属导电和高迁移率载流子输运。
　　他们在2004年发表这一结果，轰动学界，并引领同行将激光分子束外延制备高品质氧化物异质结这一方向，推到不断彰显学科主流发现平台之高度。
　　（2）界面导电机制：Hwang他们理解的机制，立足于LAO一侧原子层电荷交替阶梯而导致静电极化坍塌的图像。因为极化崩塌（polarcatastrophe），载流子不得不在层间依次转移（transfer），诱发界面高迁移率的载流子输运。
　　或者，也可能诱发氧空位形成，降低能量，触发界面导电。这一机制，基于电磁学知识，简洁优美、深入人心。LAOSTO异质结界面晶体结构和极化崩塌示意如图2所示。
　　图2。LaAlO3SrTiO3（LAOSTO）异质结界面的极化崩塌和导电性形成示意图。这一图像似乎过于简单，远不足以囊括量子材料的山水之间。
　　From：A。OhtomoH。Y。Hwang，AhighmobilityelectrongasattheLaAlO3SrTiO3heterointerface，Nature427，423（2004），https：www。nature。comarticlesnature02308
　　（3）界面磁性：LAO和STO本身都属于B位d0过渡金属氧化物，应无磁性。但是，这里的2DEG，如果在适当条件下制备，却具有清晰的界面铁磁性特征。
　　这一结果，给了人们质疑的理由：此处的界面物理是否源于本征效应？如果界面两侧存在氧空位，就存在Ti4Ti3转变的可能性。而Ti3正好携带d1磁性，可能是界面铁磁性的原因？这一问题曾引起长时间争论，直到今天，虽然观测结果源于本征性质的看法占据上风。
　　（4）栅极电场调控：因为异质结由强绝缘体构成，这一界面2DEG，给了借助栅极强电场进行界面调控的机会。
　　包括纵向输运、霍尔效应、磁电阻在内的输运行为，都能被栅极电场显著调控，赋予异质结走向自旋电子学应用的希望。凝聚态物理，大概从来没有这样的异质结合2DEG，能让二维自旋输运走向如此宽阔的空间。
　　（5）界面超导：合适的制备条件下，LAOSTO界面也能产生超导。这一结果，很自然会让量子材料人兴奋。首先，LAO和STO都是关联量子体系，而界面超导与铁磁性还可以共存，似乎坐实了界面超导就是非常规超导的证据。
　　其次，库珀对配对机制问题，更值得探索。另一方面，实验揭示，在STO衬底上生长的单层FeSe，也具有很高超导转变温度。部分物理人便猜测其中机缘，乃STO具有反常声子特性、贡献了强电声子耦合，似乎又对非常规超导的说法提出了疑问。
　　不过，别着急，不久前，有若干报道展示：如果用KTaO3（KTO）替代STO、制成异质结界面，在界面处也能观测到超导电性。KTO界面超导，一下子让各种物理变得扑朔迷离。
　　（6）界面SOC效应：与STO体系不同，KTO的几个主要晶面似乎不像STO中SrO和TiO2原子面（参见图2）那般呈现电中性，给所谓的极化崩塌机制带来额外的复杂度。
　　KTO中的Ta5属于5d离子，具有很强的自旋轨道耦合SOC。LAO（或EuO等）KTO之所以能超越LAOSTO成为当下关注点，可能是因为量子材料的主角之一SOC由此进入视野。
　　有了SOC，界面2DEG除了贡献超导外，也可能贡献反常量子霍尔效应和拓扑量子态。图3所示乃文献中收集的一些KTO和STO异质结中自旋进动等效磁场BSO数据，显示KTO异质结的确具有强SOC。
　　图3。文献报道的几种KTO异质结和STO异质结中等效自旋进动磁场BSO。其中文献Ref。〔20〕发表于1964年，未必可靠。
　　（1）栅极电压对界面SOC有很大影响。（2）LaVO3KTaO3（LVOKTO）界面在零栅极电压下即展示出很强BSO。
　　N。Wadehraetal，NC11，874（2020），https：www。nature。comarticless4146702014689z
　　相比于界面2DEG，二维材料发展势头更为汹涌。于此，读者会质疑此类界面2DEG是否会因为制备和表征的困难，而丧失发展前途。毕竟，对它进行观测、表征不易，还受两侧介质钳制。
　　相反，vdW等真实的二维材料则无此问题。此话虽然有其道理，但这些问题、困难的另一面却是其优势和不可替代性。正因为两侧可以用不同材料加持，界面2DEG携带了两侧母体施加的各种物理元素。如此优势和自由度，却是真实的vdW二维材料所欠缺的！
　　如上六条，足够Ising渲染：此类2DEG，囊括了金属导电、磁性、超导、磁电阻、强电场调控、SOC、拓扑态等当下量子材料的主角阵容。这样丰富多彩的平台，自然会引得此道高人纷纷下场、切磋交流，以孕育发现。
　　从这个意义上，谁艺高技精，并拥有良好研究平台，谁就会思如玉泉喷涌、收若滔滔不绝。这也清晰说明，凝聚态物理人守住一巅、一览众山小的意气，是有客观理由和自身实力作依托的。
　　来自中国科技大学的凝聚态物理知名学者陈仙辉教授及其团队，在此耕耘数年。国内在此耕耘不辍的还有浙江大学谢燕武教授等团队。
　　多年来，仙辉老师坚守于非常规超导这一平台，每每到节气轮换之时，他的团队总能在第一时间出精兵一支、拔夺新筹。他们认真审视了LAOKTO和EuOKTO界面2DEG的此起彼伏，有如下推理与凝练：
　　（1）二维超导电性的确存在，但只见诸（110）和（111）取向的KTO异质结中。KTO（001）取向的异质结没有超导。与此不同，STO三个取向的界面异质结，均能实现超导，虽然取向不同有些影响（也给极化崩塌机制带来质疑）。
　　（2）栅极电场能显著调控异质结界面输运和超导电性。个中根源，可能归因于栅极电场驱动载流子浓度变化和界面无序度变化。但如果样品结构质量很高，栅极电场效应则应归因于本征物理。最可能的本征物理，就是SOC。事实上，栅极电场的确会影响SOC，进而影响超导电性。也就是说，KTO界面超导的SOC物理，不可忽视。
　　（3）对界面超导临界场和各项异性的测量，更倾向于支持KTO界面超导乃非常规超导，进一步支持了SOC物理的重要性。与此对照，STO界面超导，是否属于非常规一类，尚无确定结论。
　　图4。陈仙辉老师们展示的EuO（111）KTO（110）界面超导部分数据。
　　仙辉老师他们这些梳理，为将目标集中到KTO界面超导中的SOC物理，提供了根据。他们与安徽大学葛炳辉教授团队合作，对EuO（111）KTO（110）异质界面超导的SOC效应及其调控开展深入研究，完成了一篇工作，最近刊登于《npjQM》。
　　读者若对相关工作的细节论证感兴趣，当屈就御览全文。这里，Ising学习后给出一个粗浅印象，并截取部分结果示于图4：
　　（1）KTO（110）界面超导是二维超导，有各向异性的超导上临界场数据佐证，也有清晰的面内BKT（BerezinskiiKosterlitzThouless）相变特征佐证。
　　（2）施加栅极电场，能显著改变超导转变温度Tc。理论估算的结果，与基于SOC影响机制所得结果大致吻合。
　　（3）SOC对超导电性的影响呈现出复杂性，物理不那么简单明晰。这一认知，由磁输运和超导转变的测量数据即可揭示。
　　对KTO界面超导电性的研究，依然有诸多未解课题，需要量子材料人更多探索和甄别。陈仙辉老师们的工作，首先在氧化物界面超导这一平台中，给了SOC这一角色以适当定位。
　　其次，他们的结果，也预示KTO界面2DEG可能是拓扑超导的一条别样路径，虽然量子材料人也热心于利用超导拓扑界面近邻效应来产生拓扑超导。再次，这一工作，为界面超导电性研究平台的多样性、拓展性和精细化做出了贡献，值得读者揣摩和评估。