具有面内单轴自旋织构的超导电子气通过交换相互作用揭示

《SCIENCE ADVANCES》：Uniaxial spin texture in a superconducting electron gas revealed by exchange interactions

　　

具有自旋织构费米面的二维（2D）超导体可作为实现非常规配对态的平台，并在量子信息科学及超导自旋电子学/轨道电子学领域具有重要价值。研究人员在EuOx/KTaO3(110) 界面形成的超导二维电子气（2DEG）中观测到了一种不寻常的面内单轴各向异性，而在覆盖层为非磁性的AlOx/KTaO3(110)样品中并未显现此现象。研究结果与KTaO3(110) 界面2DEG中高度各向异性的“半Rashba（half-Rashba）”自旋织构费米面相一致，该织构由于轨道矩与自旋矩之间的近抵消效应而对外磁场隐藏，但通过2DEG中电子与EuOx/KTaO3(110) 界面附近Eu磁矩的交换相互作用得以揭示。单轴自旋织构与磁性覆盖层之间的相互作用，为探索磁性与二维超导性之间的相互作用提供了前所未有的途径。

该研究聚焦于二维电子气（2DEG）中自旋轨道耦合（SOC）与晶体对称性破缺共同作用下的自旋织构及其对超导态的影响。尽管Rashba和Ising型自旋织构已在多种体系中得到广泛研究，但在KTaO₃(KTO) (110) 界面这一特定体系中，理论预测存在独特的面内单轴“半Rashba”自旋织构，然而由于缺乏有效的探测手段，该织构长期难以被实验证实。此外，传统的外磁场探测方法因Ta-5d电子轨道与自旋矩的反平行排列导致的g因子淬灭而失效。为此，研究人员通过引入磁性覆盖层EuO_x，利用其局域磁矩与2DEG的交换相互作用作为探针，旨在揭示这一隐藏的自旋织构，并阐明其对超导临界场及磁输运性质的调控机制。相关成果最终发表于《SCIENCE ADVANCES》。

在研究方法上，研究人员主要采用分子束外延（MBE）技术在KTO (110)单晶衬底上分别制备了非磁性AlO_x/KTO和磁性EuO_x/KTO异质结样品，并利用激光光刻和离子束刻蚀技术加工成霍尔棒器件。低温输运测量在稀释制冷机及国家强磁场实验室的矢量磁体系统中进行，涵盖直至50 mK的极低温环境及高达18 T的磁场条件。微观结构表征则结合了扫描透射电子显微镜（STEM）和高角环形暗场（HAADF）成像、能量色散X射线光谱（EDS）以及电子能量损失谱（EELS），以确认Eu离子在界面的扩散分布。

研究结果

KTO (110) 界面的单轴自旋织构

研究人员通过理论计算指出，KTO (110) 界面由于对称性降低，其d_xz/d_yz能带形成沿[001]方向取向的轨道角动量轴，结合Rashba自旋轨道耦合，诱导出主导的k_yσ_x半Rashba织构，导致费米面具有显著的面内各向异性。

EuO_x/KTO (110) 中超导-铁磁相互作用的各向异性

在接近临界温度（T_c）时，研究人员观察到EuO_x/KTO (110) 2DEG的磁阻（MR）表现出巨大的面内各向异性，且呈现出回滞行为。这一现象源于Eu磁矩与KTO 2DEG中各向异性的自旋织构之间的交换耦合，且该各向异性仅取决于磁场相对于晶格的方向，而非电流方向。

面内上临界场的各向异性

研究人员发现EuO_x/KTO (110) 2DEG的面内上临界场（H_c）表现出反常的温度依赖性反转。在低温下，H_c//[11ˉ0] < H_c//[001]；而在接近T_c时，该比例发生反转，H_c//[11ˉ0] > H_c//[001]，且比值超过7。相比之下，非磁性AlO_x/KTO样品仅表现出由有效质量各向异性决定的轨道极限场行为，未出现此类反转。通过拟合Klemm-Luther-Beasley (KLB) 模型和Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH) 模型，研究人员证实了交换场在低温近T_c区域的主导作用。

Eu离子在KTO (110) 界面的扩散

STEM和EELS分析表明，Eu离子会扩散进入KTO衬底数纳米深，且在界面附近存在Eu²⁺（具有磁矩）和Eu³⁺（无磁矩）的混合价态。Eu²⁺离子的扩散深度与超导电子气的厚度重叠，为交换相互作用提供了物理载体。

面内磁场的各向异性弱反局域化（WAL）

在T > T_c的正常态，研究人员观测到EuO_x/KTO (110) 样品在面内磁场下的磁导率呈现尖锐的尖峰（cusp）特征，且沿[001]方向比[11ˉ0]方向更为显著。这与AlO_x/KTO样品中平滑的二次场依赖关系形成鲜明对比。该现象归因于Eu磁矩诱导的交换场增强了电子的退相位效应，从而揭示了自旋织构的各向异性。

结论与讨论

综上所述，研究人员通过引入磁性EuO_x覆盖层，成功揭示了KTO (110) 2DEG中隐藏的面内单轴自旋织构。这种织构在非磁样品中因Ta传导电子的g因子强烈淬灭而被外磁场掩盖，但在EuO_x/KTO中，Eu离子提供的交换场“点亮”了Ta-5d自旋织构。超导态下的各向异性响应与d_yz/d_xz能带中的单轴半Rashba（k_yσ_x）自旋织构一致。这些结果表明，缺乏此类单轴自旋织构的d_xy能带载流子并未参与超导或WAL响应。该研究不仅阐明了EuO/KTO界面的交换相互作用本质及Eu在KTO中的互扩散作用，也为自旋轨道电子学提供了独特的各向异性Rashba-Edelstein效应平台，并为通过磁性邻近效应调控自旋织构材料中的超导性开辟了新路径。