[論文レビュー] Superconductivity in the dilute single band limit in reduced Strontium Titanate

Terence Bretz-Sullivan, Alexander Edelman+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、1.4 × 10¹⁸ cm⁻³未満のキャリア密度で、単一のバンドしか占有されていない状態において、還元されたSrTiO₃単結晶に超伝導が観測された。極めて低いドーピングにもかかわらず、遷移温度はTc ≈ 65 ± 25 mKでほぼ一定を保ち、均一な3次元電子系に埋め込まれた非単純的かつ不均一な超伝導状態であることを示唆している。磁化効果のスクリーニングは観測されず、臨界電流密度も低い。

ABSTRACT

We report on superconductivity in single crystals of SrTiO$_{3-δ}$ with carrier densities $ extit{n} < 1.4 imes10^{18}cm^{-3}$, where only a single band is occupied. For all samples in this regime, the resistive transition occurs at $T_{c} \approx 65 \pm 25 \ mK$. We observe a zero resistance state for $ extit{n}$ as low as $1.03 imes10^{17}cm^{-3}$, and a partial resistive transition for $ extit{n} = 3.85 imes10^{16}cm^{-3}$. We observe low critical current densities, relatively high and isotropic upper critical fields, and an absence of diamagnetic screening in these samples. Our findings suggest an inhomogeneous superconducting state, embedded within a homogeneous high-mobility 3-dimensional electron gas. $T_{c}$ does not vary appreciably when $ extit{n}$ changes by more than an order of magnitude, inconsistent with conventional superconductivity.

研究の動機と目的

• 単一のバンドしか占有されていないキャリア密度領域におけるSrTiO₃の超伝導を調査し、希釈単一バンド極限にまで拡張すること。
• 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³未満のキャリア密度においても超伝導が継続するかを特定すること。これは、いかなる超伝導体においても知られている最小値に近い。
• 密度状態が小さく、Tcが一定であるためBCS理論が成立しない状況における超伝導状態の性質を理解すること。
• 輸送、磁気的およびフラクチュエーション測定を用いて、超伝導の空間的不均一性を調査すること。

提案手法

• 零磁場下での抵抗遷移を6つのサンプル（A–F）および[011]方向に沿った10つのサンプル（A–J）で測定し、キャリア密度関数としてのTcを決定した。
• シャブニコフ＝ド・ヘース（SdH）振動測定を実施し、単一で球対称なフェルミ面を確認し、ホール測定によるキャリア密度の妥当性を検証した。
• パラコンダクティビティを分析し、有効媒体理論（EMT）を用いて抵抗遷移をモデル化し、べき乗則に基づくフラクチュエーション理論と比較した。
• EMT内でのガウス分布を用いたTcモデルを採用し、明確な遷移の急激なジャンプが観測されない広い抵抗遷移を説明した。
• 20 mKまで低下したトンネルダイオードオシレーター測定を実施し、磁化効果のスクリーニングを探索したが、検出可能な信号は得られなかった。
• BCSおよび非BCS対形成メカニズムに基づく理論的分析を用いて、nの大きな変動にもかかわらずTcが一定である理由を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³未満のキャリア密度、つまり単一のバンドしか占有されていない状態においても、SrTiO₃に超伝導が継続するか？
• RQ2 BCS理論の予測とは反して、キャリア密度が1桁以上変動してもTcがほぼ一定であるのはなぜか？
• RQ3 磁化効果のスクリーニングが観測されず、臨界電流密度も低いという事実を踏まえると、超伝導状態の空間的性質はいかなるものか？
• RQ4 抵抗遷移は、熱的フラクチュエーションではなく、パーコレーション的超伝導経路によって説明できるか？
• RQ5 希釈極限において、キャリア密度の変化に伴い、超伝導ギャップおよび上臨界磁場はどのように変化するか？

主な発見

• キャリア密度が1.03 × 10¹⁷ cm⁻³にまで低下した場合でも超伝導が観測され、抵抗遷移はTc ≈ 65 ± 25 mKで観測された。
• n = 3.85 × 10¹⁶ cm⁻³で部分的な抵抗遷移が観測され、超伝導フラクチュエーションの始まりを示した。
• シャブニコフ＝ド・ヘース振動により、単一で球対称なフェルミ面が確認され、SdH測定とホール測定によるキャリア密度が一致したため、均一な3次元電子系であると判明した。
• 20 mKまで磁化効果のスクリーニングは観測されず、超伝導状態が不均一であり、ローレンツの浸透深さよりも小さい領域に限定されている可能性を示唆している。
• 上臨界磁場は比較的高く、等方的であり、良好に発達した超伝導ギャップがキャリア密度に伴い増加していることを示している。
• ガウス分布を用いた有効媒体理論（EMT）は、フラクチュエーション理論よりも抵抗遷移の実測値とより良好に一致した。これは、パーコレーション的超伝導遷移の可能性を支持する。