[論文レビュー] Strain-engineered interaction of quantum polar and superconducting phases

Chloe Herrera, Jonah Cerbin+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 77被引用数 49

ひとこと要約

本研究では、予備的量子極性（量子反ペロブスカイト）相と超伝導相の相互作用を工学的に制御することにより、窒素ドーピングされたストロンチウムチタン酸化物（STO）における一軸引張ひずみが超伝導臨界温度（Tc）を向上させることを実証した。Tcは約50％上昇し、数百年の上昇が示唆されており、これは誘電性フォノンモードのひずみ誘発軟化に起因し、事前に形成された電子対の直接的証明および酸化物材料における量子相相互作用の制御メカニズムを示している。

ABSTRACT

Much of the focus of modern condensed matter physics concerns control of quantum phases with examples that include flat band superconductivity in graphene bilayers, the interplay of magnetism and ferroelectricity, and induction of topological transitions by strain. Here we report the first observation of a reproducible and strong enhancement of the superconducting critical temperature, $T_c$, in strontium titanate (SrTiO3) obtained through careful strain engineering of interacting superconducting phase and the polar quantum phase (quantum paraelectric). Our results show a nearly 50% increase in $T_c$ with indications that the increase could become several hundred percent. We have thus discovered a means to control the interaction of two quantum phases through application of strain, which may be important for quantum information science. Further, our work elucidates the enigmatic pseudogap-like and preformed electron pairs phenomena in low dimensional strontium titanate as potentially resulting from the local strain of jammed tetragonal domains.

研究の動機と目的

• 一軸引張ひずみによる量子相の工学的制御を通じて、ストロンチウムチタン酸化物（STO）における超伝導臨界温度（Tc）の実験的制御を示すこと。
• 予備的量子反ペロブスカイトフラクチュエーションの役割を調査することで、ドーピングSTOにおける対結合メカニズムの長年の未解決問題を解消すること。
• 低次元STOにおける仮ギャップ的挙動と事前に形成された電子対の起源を、成分の不均一性とは区別して明確にすること。
• 単一ドメインSTO結晶において一軸ひずみを用いた清浄で化学的でない方法により、量子相相互作用を調整する基盤を確立すること。

提案手法

• 特定の結晶学的軸に沿って、単一結晶のSrTi1−xNbxO3バーにイン situ で一軸引張および圧縮ひずみを印加し、x-単一ドメイン状態を促進すること。
• 低温用のドライアイス冷却器と偏光光学顕微鏡を統合した独自開発のひずみセルを用い、ひずみ下でのリアルタイム抵抗測定および光学的測定を実施すること。
• 超高感度（数ピコボルトまで）の抵抗ブリッジとピコボルトレベルの増幅を用いて、抵抗転移を高感度で検出すること。
• ひずみゲージ測定と光学画像を用いて、ドメイン方位（特にxドメイン）とTcの変化を相関させ、可逆性を確認すること。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いたフォノンモードの軟化計算を行い、反フローレンスチック（AFD）軸に平行な誘電性モードの挙動を評価すること。
• Tcを、通常抵抗の98％に達する抵抗低下の開始点として定義することで、電流による加熱効果の影響を最小限に抑え、正確性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一軸引張ひずみにより、予備的量子反ペロブスカイト相と超伝導相の相互作用を調整することで、単一ドメインNbドーピングSTOにおけるTcの向上が可能か？
• RQ2 観察されたTc上昇は、格子欠陥によるものか、内在的な電子的・フォノン的変化によるものか？
• RQ3 STOにおける仮ギャップ的挙動と事前に形成された対は、テトラゴナルドメイン内の局所的ひずみに起因するものであり、化学的不均一性とは異なるものか？
• RQ4 誘電性フォノンモードのひずみ誘発軟化とTc上昇の相関関係はどのように関係しているか？

主な発見

• 最適ドーピングされたSrTi0.99Nb0.01O3において、一軸引張ひずみ下でTcが再現可能に約50％上昇し、数百年の上昇が示唆されている。
• Tc上昇はひずみ解除後にも完全に回復し、永久的な格子欠陥が原因でないことが裏付けられた。
• 圧縮ひずみ下ではTcが低下し、この効果がひずみ依存的であることが確認され、フォノンモードの硬化が関与していることが示唆された。
• Tc上昇は、AFD軸に平行な誘電性フォノンモードの軟化と強く相関しており、DFT計算でも裏付けられた。
• 光学画像により、ひずみ軸に沿ってxドメインが優先的に整列していることが確認され、xドメインが超電流の主路を占めているのに対し、yドメインやzドメインは支配的でないことが判明した。
• 通常状態の抵抗はひずみ下でもほとんど変化せず、Tcの変化が欠陥に起因する散乱やパーコレーション効果によるものではないことが示された。