Electronic bandstructure of superconducting KTaO3 (111) interfaces

Two-dimensional electron gases(2DEGs)based on KTaO3 are emerging as a promising platform for spin-orbitronics due to their high Rashba spin-orbit coupling (SOC) and gate-voltage tunability. The recent discovery of a superconducting state in KTaO3 2DEGs now expands their potential towards topological superconductivity. Although the band structure of KTaO3 surfaces of various crystallographic orientations has already been mapped using angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES), this is not the case for superconducting KTaO3 2DEGs. Here, we reveal the electronic structure of superconducting 2DEGs based on KTaO3 (111) single crystals through ARPES measurements. We fit the data with a tight-binding model and compute the associated spin textures to bring insight into the SOC-driven physics of this fascinating system.Comment: 9 pages, 4 figure

Supraconductivité multi-condensat à l'interface d'oxydes

The LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) interface is known to host a superconducting two-dimensional electron gas (2DEG). It has been a playground to study functional oxide materials in recent years since it harbors various physical phenomena, such as a strong Rashba spin-orbit coupling, superconductivity, multi-band conductivity, and disorder among others. The carrier density of the 2DEG at SrTiO3 interfaces can be controlled by electric field effect, which in turn tunes other properties such as the confinement potential, the Rashba spin-orbit coupling, and most famously, the superconducting critical temperature forming a dome upon doping. In this manuscript, we discuss the gate tunable transport properties of 2DEG formed at the interfaces in heterostructures involving the quantum paraelectric materials SrTiO3 or KTaO3, in different crystal orientations. Transport measurements at dc and radiofrequency have been performed in a dilution fridge down to 20mK under magnetic field and back gate voltage. In the first chapter, we report gate-tunable transport measurements such as the superconducting Tc, the upper critical magnetic field, and the carrier density of LAO/STO(110) and LAO/STO(111) interfaces. Then we describe resonant micro-wave measurements of the superfluid stiffness, giving us access to the fundamental superconducting properties of these 2DEGs. In LAO/STO(110), both the gate-tunable critical fields and the superfluid stiffness measurements show the existence of two-condensate superconductivity beyond a doping threshold which can be consistently analyzed by two independent models. We also show that in this system, the two condensates interact repulsively to form an exotic s±-wave superconducting state and that interband scattering strongly suppresses the Tc. Similar measurements of the critical field and superfluid stiffness in the LAO/STO(111) interfaces yielded contrasting results. Despite evidence for multiband transport in the normal state, no clear signature of multi-condensate superconductivity could be observed. In both orientations, the superfluid stiffness measurements are compared with predictions from the conventional BCS/Mattis-Bardeen theory. We conclude this part on the role of the substrate orientation on the band structure and the electron gas superconducting properties by comparing our results to the well-known properties of the conventional LAO/STO(001) interface. In a second chapter, we analyse the non-reciprocal transport of the in-plane anisotropic magnetoresistance of these 2DEGs (LAO/STO(110) and LAO/STO(111)) as a probe for spin-orbit interaction and as a way to qualitatively assess the Fermi surface evolution with back gate voltage. The quadratic and bilinear magnetoresistance derived from this non-reciprocal transport are compared to previous work at LAO/STO(001) interface, and an effective Rashba coupling constant is extracted from these measurements. We also show that the in-plane anisotropic magnetoresistance can be used as a tool to observe a Lifschitz transition in LAO/STO(110). In the last chapter, we discuss the properties of novel superconducting oxide interfaces. We first report gate tunable superconductivity at the AlOx/STO interface, which is a promising 2DEG substitute for future applications since its sputtering fabrication method is easier than the pulsed laser deposition of the LAO layer. Then, we present results on the recently discovered superconducting 2DEG at KTaO3(110) and KTaO3(111) oxide interface. Transport properties and superfluid stiffness measurement are studied in light of the Berezinskii Kosterlitz Thouless theory.L'interface LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) est connue pour abriter un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) supraconducteur. Ce gaz a été un terrain de jeu pour l'étude des matériaux d'oxydes fonctionnels ces dernières années car il abrite divers phénomènes physiques, tels qu'un fort couplage spin-orbite Rashba, la supraconductivité, la conductivité multibande et le désordre, entre autres. La densité de porteurs du 2DEG aux interfaces du SrTiO3 peut être contrôlée par effet de champ électrique, qui à son tour influence d'autres propriétés telles que le potentiel de confinement, le couplage Rashba et, plus célèbre encore, la température critique de supraconductivité formant un dôme en fonction du dopage. Dans ce manuscrit, nous discutons des propriétés de transport ajustable par tension de grille du 2DEG formé aux interfaces des hétérostructures impliquant les matériaux paraélectriques quantiques SrTiO3 ou KTaO3, dans différentes orientations cristallines. Des mesures de transport dc et radiofréquence ont été réalisées dans un réfrigérateur à dilution jusqu'à 20mK, sous champ magnétique et avec application d'une tension de grille. Dans un 1er chapitre, nous rapportons les mesures de transport ajustable par tension de grille, telles que la température critique (Tc) du supraconducteur, le champ magnétique critique et la densité de porteurs des interfaces LAO/STO(110) et LAO/STO(111). Nous décrivons ensuite les mesures par micro-ondes résonantes de la rigidité superfluide, ce qui nous donne accès aux propriétés supraconductrices fondamentales de ces 2DEGs. Dans LAO/STO(110), les champs critiques ajustables par tension de grille et les mesures de la rigidité superfluide montrent l'existence d'une supraconductivité à deux condensats au-delà d'un seuil de dopage qui peut être analysé de manière cohérente par deux modèles indépendants. Nous montrons également que les deux condensats interagissent de manière répulsive pour former un état supraconducteur exotique s±-wave et que la diffusion interbande supprime fortement la Tc. Des mesures similaires du champ critique et de la rigidité superfluide dans LAO/STO(111) ont donné des résultats contrastés. Malgré la preuve d'un transport multibande dans l'état normal, aucune signature claire de supraconductivité à plusieurs condensats n'a pu être observée. Dans les deux orientations, les mesures de rigidité superfluide sont comparées aux prédictions de la théorie conventionnelle BCS/Mattis-Bardeen. Nous concluons cette partie sur le rôle de l'orientation du substrat sur la structure de bande et les propriétés supraconductrices du gaz d'électrons en comparant nos résultats aux propriétés bien connues de l'interface conventionnelle LAO/STO(001). Dans un 2ème chapitre, nous analysons le transport non-réciproque de la magnétorésistance anisotrope dans le plan de ces 2DEGs (LAO/STO(110) et LAO/STO(111)) comme une sonde pour l'interaction spin-orbite. La magnétorésistance quadratique et bilinéaire dérivée de ce transport non-réciproque est comparée aux travaux précédents sur l'interface LAO/STO(001), et une constante de couplage effective de Rashba est extraite de ces mesures. Nous montrons également que la magnétorésistance anisotrope dans le plan peut être utilisée comme un outil pour observer une transition de Lifschitz dans LAO/STO(110). Dans le dernier chapitre, nous discutons des propriétés de nouvelles interfaces d'oxydes supraconducteurs. Nous rapportons d'abord la supraconductivité accordable par tension de grille à l'interface AlOx/STO, qui est un substitut de 2DEG prometteur pour de futures applications car sa méthode de fabrication par pulvérisation est plus facile que le dépôt par laser pulsé de LAO. Ensuite, nous présentons des résultats sur le 2DEG supraconducteur récemment découvert aux interfaces de KTaO3(110) et KTaO3(111). Les propriétés de transport et la mesure de la rigidité du superfluide sont étudiées à la lumière de la théorie de Berezinskii Kosterlitz Thouless

Supraconductivité multi-condensat à l'interface d'oxydes

The LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) interface is known to host a superconducting two-dimensional electron gas (2DEG). It has been a playground to study functional oxide materials in recent years since it harbors various physical phenomena, such as a strong Rashba spin-orbit coupling, superconductivity, multi-band conductivity, and disorder among others. The carrier density of the 2DEG at SrTiO3 interfaces can be controlled by electric field effect, which in turn tunes other properties such as the confinement potential, the Rashba spin-orbit coupling, and most famously, the superconducting critical temperature forming a dome upon doping. In this manuscript, we discuss the gate tunable transport properties of 2DEG formed at the interfaces in heterostructures involving the quantum paraelectric materials SrTiO3 or KTaO3, in different crystal orientations. Transport measurements at dc and radiofrequency have been performed in a dilution fridge down to 20mK under magnetic field and back gate voltage. In the first chapter, we report gate-tunable transport measurements such as the superconducting Tc, the upper critical magnetic field, and the carrier density of LAO/STO(110) and LAO/STO(111) interfaces. Then we describe resonant micro-wave measurements of the superfluid stiffness, giving us access to the fundamental superconducting properties of these 2DEGs. In LAO/STO(110), both the gate-tunable critical fields and the superfluid stiffness measurements show the existence of two-condensate superconductivity beyond a doping threshold which can be consistently analyzed by two independent models. We also show that in this system, the two condensates interact repulsively to form an exotic s±-wave superconducting state and that interband scattering strongly suppresses the Tc. Similar measurements of the critical field and superfluid stiffness in the LAO/STO(111) interfaces yielded contrasting results. Despite evidence for multiband transport in the normal state, no clear signature of multi-condensate superconductivity could be observed. In both orientations, the superfluid stiffness measurements are compared with predictions from the conventional BCS/Mattis-Bardeen theory. We conclude this part on the role of the substrate orientation on the band structure and the electron gas superconducting properties by comparing our results to the well-known properties of the conventional LAO/STO(001) interface. In a second chapter, we analyse the non-reciprocal transport of the in-plane anisotropic magnetoresistance of these 2DEGs (LAO/STO(110) and LAO/STO(111)) as a probe for spin-orbit interaction and as a way to qualitatively assess the Fermi surface evolution with back gate voltage. The quadratic and bilinear magnetoresistance derived from this non-reciprocal transport are compared to previous work at LAO/STO(001) interface, and an effective Rashba coupling constant is extracted from these measurements. We also show that the in-plane anisotropic magnetoresistance can be used as a tool to observe a Lifschitz transition in LAO/STO(110). In the last chapter, we discuss the properties of novel superconducting oxide interfaces. We first report gate tunable superconductivity at the AlOx/STO interface, which is a promising 2DEG substitute for future applications since its sputtering fabrication method is easier than the pulsed laser deposition of the LAO layer. Then, we present results on the recently discovered superconducting 2DEG at KTaO3(110) and KTaO3(111) oxide interface. Transport properties and superfluid stiffness measurement are studied in light of the Berezinskii Kosterlitz Thouless theory.L'interface LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) est connue pour abriter un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) supraconducteur. Ce gaz a été un terrain de jeu pour l'étude des matériaux d'oxydes fonctionnels ces dernières années car il abrite divers phénomènes physiques, tels qu'un fort couplage spin-orbite Rashba, la supraconductivité, la conductivité multibande et le désordre, entre autres. La densité de porteurs du 2DEG aux interfaces du SrTiO3 peut être contrôlée par effet de champ électrique, qui à son tour influence d'autres propriétés telles que le potentiel de confinement, le couplage Rashba et, plus célèbre encore, la température critique de supraconductivité formant un dôme en fonction du dopage. Dans ce manuscrit, nous discutons des propriétés de transport ajustable par tension de grille du 2DEG formé aux interfaces des hétérostructures impliquant les matériaux paraélectriques quantiques SrTiO3 ou KTaO3, dans différentes orientations cristallines. Des mesures de transport dc et radiofréquence ont été réalisées dans un réfrigérateur à dilution jusqu'à 20mK, sous champ magnétique et avec application d'une tension de grille. Dans un 1er chapitre, nous rapportons les mesures de transport ajustable par tension de grille, telles que la température critique (Tc) du supraconducteur, le champ magnétique critique et la densité de porteurs des interfaces LAO/STO(110) et LAO/STO(111). Nous décrivons ensuite les mesures par micro-ondes résonantes de la rigidité superfluide, ce qui nous donne accès aux propriétés supraconductrices fondamentales de ces 2DEGs. Dans LAO/STO(110), les champs critiques ajustables par tension de grille et les mesures de la rigidité superfluide montrent l'existence d'une supraconductivité à deux condensats au-delà d'un seuil de dopage qui peut être analysé de manière cohérente par deux modèles indépendants. Nous montrons également que les deux condensats interagissent de manière répulsive pour former un état supraconducteur exotique s±-wave et que la diffusion interbande supprime fortement la Tc. Des mesures similaires du champ critique et de la rigidité superfluide dans LAO/STO(111) ont donné des résultats contrastés. Malgré la preuve d'un transport multibande dans l'état normal, aucune signature claire de supraconductivité à plusieurs condensats n'a pu être observée. Dans les deux orientations, les mesures de rigidité superfluide sont comparées aux prédictions de la théorie conventionnelle BCS/Mattis-Bardeen. Nous concluons cette partie sur le rôle de l'orientation du substrat sur la structure de bande et les propriétés supraconductrices du gaz d'électrons en comparant nos résultats aux propriétés bien connues de l'interface conventionnelle LAO/STO(001). Dans un 2ème chapitre, nous analysons le transport non-réciproque de la magnétorésistance anisotrope dans le plan de ces 2DEGs (LAO/STO(110) et LAO/STO(111)) comme une sonde pour l'interaction spin-orbite. La magnétorésistance quadratique et bilinéaire dérivée de ce transport non-réciproque est comparée aux travaux précédents sur l'interface LAO/STO(001), et une constante de couplage effective de Rashba est extraite de ces mesures. Nous montrons également que la magnétorésistance anisotrope dans le plan peut être utilisée comme un outil pour observer une transition de Lifschitz dans LAO/STO(110). Dans le dernier chapitre, nous discutons des propriétés de nouvelles interfaces d'oxydes supraconducteurs. Nous rapportons d'abord la supraconductivité accordable par tension de grille à l'interface AlOx/STO, qui est un substitut de 2DEG prometteur pour de futures applications car sa méthode de fabrication par pulvérisation est plus facile que le dépôt par laser pulsé de LAO. Ensuite, nous présentons des résultats sur le 2DEG supraconducteur récemment découvert aux interfaces de KTaO3(110) et KTaO3(111). Les propriétés de transport et la mesure de la rigidité du superfluide sont étudiées à la lumière de la théorie de Berezinskii Kosterlitz Thouless

From Low-Field Sondheimer Oscillations to High-Field Very Large and Linear Magnetoresistance in a SrTiO 3 -Based Two-Dimensional Electron Gas

International audienceQuantum materials harbor a cornucopia of exotic transport phenomena challenging our understanding of condensed matter. Among these, a giant, nonsaturating linear magnetoresistance (MR) has been reported in various systems, from Weyl semimetals to topological insulators. Its origin is often ascribed to unusual band structure effects, but it may also be caused by extrinsic sample disorder. Here, we report a very large linear MR in a SrTiO 3 two-dimensional electron gas and, by combining transport measurements with electron spectromicroscopy, show that it is caused by nanoscale inhomogeneities that are selforganized during sample growth. Our data also reveal semiclassical Sondheimer oscillations arising from interferences between helicoidal electron trajectories, from which we determine the 2DEG thickness. Our results bring insight into the origin of linear MR in quantum materials, expand the range of functionalities of oxide 2DEGs, and suggest exciting routes to explore the interaction of linear MR with features like Rashba spin−orbit coupling

Electronic band structure of superconducting KTaO3 (111) interfaces

Two-dimensional electron gases (2DEGs) based on KTaO3 are emerging as a promising platform for spin-orbitronics due to their high Rashba spin–orbit coupling (SOC) and gate-voltage tunability. The recent discovery of a superconducting state in KTaO3 2DEGs now expands their potential towards topological superconductivity. Although the band structure of KTaO3 surfaces of various crystallographic orientations has already been mapped using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), this is not the case for superconducting KTaO3 2DEGs. Here, we reveal the electronic structure of superconducting 2DEGs based on KTaO3 (111) single crystals through ARPES measurements. We fit the data with a tight-binding model and compute the associated spin textures to bring insight into the SOC-driven physics of this fascinating system