沈健课题组及合作者发现KTaO3界面二维电子气中的大非线性横向电导率与贝里曲率

    近期，复旦大学表面物理国家重点实验室、微纳电子器件与量子计算机研究院的沈健教授课题组与意大利萨勒诺大学Roberta Citro教授课题组合作，在《Nano Letters》期刊上发表了题为“KTaO3界面二维电子气中的大非线性横向电导率与贝里曲率”（Large Nonlinear Transverse Conductivity and Berry Curvature in KTaO3 Based Two-Dimensional Electron Gas）的研究论文。该研究首次揭示了在LaAlO3/ KTaO3 界面处形成的二维电子气（2DEG）在零磁场条件下展示出很大的非线性横向电导率。研究发现，这种非线性电导率随温度上升而显著减少，并且可以通过改变背栅电压进行显著调控。

    自从在LaAlO3/SrTiO3 异质结中发现高迁移率的二维电子气以来，复杂的氧化物异质结构因其在界面处表现出的诸多独特现象而备受关注。这些现象包括磁性、超导性以及电场控制的导电性等，这些新奇特性激发了氧化物自旋电子学领域的研究。近年来，基于KTaO3的2DEG异质结构逐渐成为研究热点。KTaO3是一种带隙绝缘体，类似于SrTiO3，具有高介电常数和量子顺电性。此外，由于Ta原子的存在，KTaO3中的自旋轨道耦合比SrTiO3更强，导致其2DEG表现出更高的超导转变温度和更大的自旋电荷转换效率。

    非线性霍尔效应是非线性传输的一个实例，不同于线性霍尔效应中的电流在垂直于磁场方向上的线性偏移，非线性霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下，电流在施加的电场作用下产生二次谐波响应的现象。由于界面处的电子状态受到强自旋轨道耦合的影响，非线性霍尔效应在这种情况下变得尤为突出。

    研究团队利用脉冲激光沉积技术（PLD）在单晶 KTaO3(111) 衬底上生长了LaAlO3薄膜，制备了界面2DEG，并将其制备成霍尔器件以进行低温下非线性霍尔效应的测量。实验结果显示，非线性横向电导率与纵向电导率之间存在立方关系，并且表现出三重旋转对称性。这些特性表明斜散射是主要的物理机制。此外，通过改变背栅电压，非线性霍尔电导率可以被显著调控。

图1. （a）器件图 （b）器件测量示意图 （c）横向霍尔电导率和纵向电导率关系曲线 （d）横向霍尔电导率和纵向电导率不同次幂关系的拟合曲线

    在LAO/KTO异质结中，非线性霍尔效应的出现为研究氧化物界面的拓扑非平凡能带结构提供了一种新方法。研究团队通过理论计算证实了量子限制、强自旋轨道耦合以及多重d轨道杂化共同作用产生的贝里曲率热点，为实验结果提供了有力的理论支撑。

图2. （a）二阶霍尔电导率随背栅电压的变化 （b）KTaO3电子能带结构中第三重双简并带的k空间贝里曲率分布

    非线性传输测量提供了一种不同于标准磁输运测量的新方法，为理解复杂氧化物异质结构中的新奇物理现象开辟了新的道路。这一研究不仅为理解复杂氧化物异质结构中的新奇物理现象提供了新的视角，也为未来在该领域内的研究奠定了基础。

    该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市自然科学基金等多个项目的资助和支持。复旦大学微纳加工与器件公共实验室为本课题提供了重要支撑。霍尔器件的制备过程借助实验室的紫外光刻机来完成。

    沈健教授、微纳电子器件与量子计算机研究院何攀青年研究员和意大利萨勒诺大学的Roberta Citro教授为共同通讯作者，复旦大学博士生翟金凤和意大利萨勒诺大学的博士生Mattia Trama为共同第一作者。