[論文レビュー] Strong Coupling Superconductivity in the Vicinity of the Structural Quantum Critical Point in (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$

Wing Chi Yu, Yiu Wing Cheung+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、$x \approx 0.9$ の構造的量子臨界点（QCP）近くにおける (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ の強い結合超伝導性を、比熱測定を用いて調査した。phononの軟化と超伝導ギャップパラメータの増大が明らかになった。主な発見は、QCP付近で $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}} \approx 6.67$ および $\Delta C/\gamma T_{\text{c}} \approx 3.47$ と顕著に増大し、BCS理論の予測を大きく上回っており、格子不安定性によって駆動される強い電子-格子結合を示している。

ABSTRACT

The family of the superconducting quasi-skutterudites (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ features a structural quantum critical point at $x_c=0.9$, around which a dome-shaped variation of the superconducting transition temperature $T_c$ is found. Using specific heat, we probe the normal and the superconducting states of the entire series straddling the quantum critical point. Our analysis indicates a significant lowering of the effective Debye temperature on approaching $x_c$, which we interpret as a result of phonon softening accompanying the structural instability. Furthermore, a remarkably large enhancement of $2Δ/k_BT_c$ and $ΔC/γT_c$ beyond the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) values is found in the vicinity of the structural quantum critical point. The phase diagram of (Ca$_{x}$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ thus provides a model system to study the interplay between structural quantum criticality and strong electron-phonon coupling superconductivity.

研究の動機と目的

• (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$系における構造的量子臨界性と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• 構造的QCP付近における格子励振（特にphononの軟化）が超伝導ペアリングに与える影響を特定すること。
• 正常状態および超伝導状態における比熱測定を用いて、電子-格子結合の強さを定量すること。
• 観測された超伝導ギャップパラメータが、QCP近傍でBCS理論の予測を上回っているかどうかを確立すること。

提案手法

• 単結晶 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ を用い、物理的性質測定システム内でパルスリカバリー法を用いて $x = 0$ から $x = 1$ まで比熱測定を実施した。
• サンプル台およびアピエゾンNグリースからのバックグラウンド比熱を測定し、差し引いた。さらに、$\leq 5$ T の高磁場測定を実施し、サンプル固有の寄与を分離した。
• 低温度比熱データをもとに、修正されたデバイモデルを用いて有効デバイ温度 ($\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$) とアインシュタイン温度 ($\Theta_{\text{E}}$) を抽出した。
• $T_{\text{c}}$ における比熱ジャンプと電子比熱係数 $\gamma$ から、超伝導ギャップパラメータ $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ および $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ を計算した。
• $x$ に依存する $T_{\text{c}}$, $\gamma$, $\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$, $\Theta_{\text{E}}$ の変化を分析し、相図をマッピングし、$x \approx 0.9$ における構造的QCP近傍の臨界的挙動を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的量子臨界点付近でのphononの軟化は、(Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ の超伝導ギャップパラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ2 QCP近傍で、超伝導ギャップパラメータ $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ および $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ は、BCS理論の予測をどの程度上回るか？
• RQ3 有効デバイ温度とこの系における構造的不安定の発生との間にどのような関係があるか？
• RQ4 超伝導ギャップパラメータの増大は、構造的転移温度 $T^*$ の抑制と相関しているか？
• RQ5 この系は、格子不安定性によって駆動される強い結合超伝導性のモデルとして記述可能か？

主な発見

• 有効デバイ温度 $\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$ は $x = 0.9$ で $x = 0$ と比較して約33%低下しており、構造的QCP付近での顕著なphononの軟化を示している。
• アインシュタイン温度 $\Theta_{\text{E}}$ も $x = 0.9$ 付近で著しく低下しており、格子不安定性に起因する低エネルギーphononモードの存在を裏付けている。
• 超伝導転移温度 $T_{\text{c}}$ は $x \approx 0.95$ でピークを示し、構造的QCPと一致しており、$T_{\text{c}} \approx 5.5$ K であった。
• 比率 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ は $x = 0.95$ で最大値 $\sim 6.67$ を示し、BCS理論の値 1.43 を著しく上回っており、強い結合超伝導性の理論的予測をも上回っている。
• 比率 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ は $x = 0.95$ で $\sim 3.47$ に達し、BCS理論の値 1.43 を上回っており、顕著に強化された超伝導ギャップを示している。
• $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ および $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ のQCP近傍での増大は、構造的量子臨界性によって駆動される強い電子-格子結合が成立していることを示しており、(Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ がこのような相乗的相互作用のモデル系であることが確立された。