氧化物界面是演生量子现象的理想研究平台之一。在众多体系中，基于KTaO3的超导界面因其强自旋轨道耦合和相对较高的超导转变温度Tc，近年来脱颖而出，成为备受关注的前沿体系。KTaO3超导有一个极为显著的特征：它对晶体学取向极度敏感。例如，(111)晶面的Tc约2 K，(110)晶面的Tc接近1 K，而(100)晶面一般情况下不超导（近期新报道CaZrO3/KTaO3(100) Tc约0.25 K）。迄今为止，研究主要集中在三个主晶面上，人们尚不清楚这些差异究竟源于分立的电子态，还是隶属于一个更普适、连续的物理规律。解答这一问题，对于建立KTaO3界面超导体系的微观理论至关重要。
近日，浙江大学物理学院谢燕武教授课题组系统研究了非晶LaAlO3/KTaO3（a-LAO/KTO）界面在十种不同晶体学取向下的行为，涵盖主晶面与高指数晶面（图1）。发现Tc与单一的几何参量——(hkl)面与 (100) 面之间的夹角θ——之间存在线性标度关系，Tc在约0.12 K至2.1 K之间随θ连续变化（图2）。
图1. 晶体结构与几何取向的定义。(a) KTaO3的立方钙钛矿原胞。(b)所研究的十种 (hkl)晶面的俯视投影，涵盖从主晶面到高指数取向。θ定义为(hkl)面法线与(100)轴之间的夹角。
为开展这项研究，团队利用脉冲激光沉积技术，在十种取向的KTO衬底上制备了高质量的a-LAO/KTO异质结构。所有取向上的LAO薄膜均为非晶态且厚度均匀（约10 nm）。电输运测量表明，除(100)样品外，所有取向均展现出二维超导电性，其电压-电流特性符合Berezinskii–Kosterlitz–Thouless相变，且上临界磁场具有强烈的各向异性。通过对晶体学参数的系统分析，团队发现Tc与晶面间距d(hkl)没有显著关联（图2a-b），但当以几何角θ为横坐标时，所有数据完美地汇聚到同一条线性轨迹上（Tc ∝ θ）。无论是在不同的生长温度下，还是样品经过器件化加工，该标度律始终成立（图2c）。
图2. Tc随几何角θ的经验线性标度。(a, b) 分别在不同温度下生长的样品，Tc随晶面间距的变化，未显示出系统性关联。(c) Tc随θ的变化，所有数据均沿近似线性的趋势分布。
进一步分析显示，Tc在很大程度上与二维载流子浓度ns解耦：Tc在不同取向上变化了一个量级，ns却几乎保持不变。θ越大的晶面取向上（Tc越高），其超导层厚度越薄，等效三维载流子浓度越高，Rashba 自旋轨道耦合也越强。这些发现表明，晶体取向可作KTO界面体系中超导电性的一种连续且系统的调控参量。θ-Tc这一经验的标度律为未来KTO界面体系超导电性的微观理论树立了关键性的唯象基准，无论这些理论是基于各向异性的电子-声子耦合、依赖于晶面取向的轨道杂化，还是Rashba自旋轨道耦合强度随θ的连续演化；该结果同时也为通过衬底取向工程优化超导性能提供了一个灵活而普适的框架。
该研究成果以“Observation of Linear Scaling of Superconductivity with Crystal Orientation at a-LaAlO3/KTaO3 Interfaces”为题，于近期发表在《物理评论快报》上。论文共同第一作者为浙江大学物理学院曹雪珊博士（已毕业）、博士后张蒙、王一帅博士（已毕业），通讯作者为中国科学院物理研究所周毅研究员、浙江大学物理学院谢燕武教授。本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技重大项目等的大力支持。
文章信息：Xueshan Cao#, Meng Zhang#*, Yishuai Wang#, Ming Qin, Yi Zhou*, and Yanwu Xie*. Observation of Linear Scaling of Superconductivity with Crystal Orientation at a-LaAlO3/KTaO3 Interfaces. Phys. Rev. Lett. 136, 256002 (2026)
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bbn3-bzs3
