非晶LaAlO3/KTaO3(111)界面的强耦合界面铁电性与界面超导性

《Nature Communications》：Strongly coupled interface ferroelectricity and interface superconductivity in amorphous LaAlO3/KTaO3(111)

推荐：针对界面能否同时容纳铁电性与超导性这一矛盾问题，研究人员在非晶LaAlO3/KTaO3(111)界面开展了探索。研究通过STEM、SHG、PFM等技术证实了界面铁电序的存在，并发现其与界面超导性强耦合，翻转铁电极化可使界面电导率降低超过1000倍并同时抑制超导。该发现为实现具有破缺反演对称性的铁电超导及超导的非易失性调控开辟了新途径。

　　

在凝聚态物理和材料科学领域，异质结界面一直是孕育新奇物理现象的宝库。当两种不同的材料结合时，界面处往往会产生与体材料截然不同的电荷、自旋和轨道序，从而催生出高温超导、界面铁磁性等许多令人着迷的物态。然而，有些物理性质在传统认知中似乎是“水火不容”的，例如铁电性与超导性。铁电性通常要求材料具有极化的非中心对称结构，而大多数超导体则倾向于中心对称的环境以维持库珀对的稳定。那么，能否在同一个界面上，让这两种看似矛盾的性质共存甚至相互对话呢？这不仅是基础物理的前沿问题，也对未来开发新型可电控量子器件具有潜在的重大意义。为了解决这一核心问题，一个研究团队在非晶LaAlO₃与KTaO₃(111)单晶构成的异质界面展开探索，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上。

为了揭示非晶LaAlO₃/KTaO₃(111)界面的微观结构与物性关联，研究人员综合运用了几项关键实验技术。首先，他们利用扫描透射电子显微镜(STEM, Scanning Transmission Electron Microscopy)在原子尺度上解析了界面的晶体结构和元素分布。其次，为了探测界面是否具有非中心对称的极性结构，他们采用了二次谐波产生(SHG, Second Harmonic Generation)显微镜这一对对称性破缺极其敏感的光学探测手段。最后，为了直接证实铁电性的存在并实现对其的人工操控，他们使用压电力显微镜(PFM, Piezoelectric Force Microscopy)在纳米尺度上测量了界面的压电响应，并尝试施加电压来翻转可能的电极化。

研究结果通过多角度的实验数据，系统地证实了界面铁电性与超导性的共存与强耦合。

界面铁电性的证实

研究团队通过原子分辨的STEM图像直接观察到，在界面处钾(K)原子相对于钽(Ta)原子发生了明显的位移，这种原子位移是产生自发极化的结构基础。分析指出，界面处的氧空位促进了这种位移的发生。SHG显微镜的测量结果进一步支持了界面存在破缺反演对称性的结论。最具说服力的证据来自PFM实验，研究人员成功地在局部区域通过施加在PFM探针与LaAlO₃薄膜之间的电压，实现了电极化方向的翻转与再翻转，这直接证明了该界面铁电性是真实存在且可被电控的。

铁电性与超导性的耦合

最引人注目的发现在于铁电性与界面超导性之间的强烈相互作用。电输运测量表明，该界面在低温下表现出超导转变，转变温度记为T_c。当研究人员利用PFM技术翻转界面的铁电极化方向时，一个惊人的现象出现了：界面的正常态电导率下降了超过1000倍，同时，超导转变被显著抑制甚至完全消失。更重要的是，这种调控是可逆的，且界面电导率与超导转变温度T_c的变化均表现出与铁电回滞曲线同步的回滞行为。这提供了铁电序与超导序之间存在直接耦合的确凿证据。

综上所述，这项研究首次在非晶LaAlO₃/KTaO₃(111)界面实现了铁电性与超导性的共存，并通过实验明确展示了两者之间的强耦合关系。界面处的氧空位诱导了K原子的位移，从而形成了可开关的界面铁电极化。翻转该极化能非易失性地、剧烈地改变界面的导电状态与超导性能。这一发现具有多重重要意义：在基础科学层面，它为实现具有破缺反演对称性的“铁电超导体”这一新颖量子物态提供了可行的材料平台与研究思路；在应用层面，它展示了一种通过铁电极化来非易失性调控超导态的全新原理，为未来开发基于氧化物界面的、可电写擦除的超导量子器件奠定了重要的实验基础。