[論文レビュー] Superconductivity in the vicinity of a ferroelectric quantum phase transition

S. E. Rowley, Carsten Enderlein+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 68被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、反強誘電体量子臨界点に近いSrTiO₃における超伝導性を調査し、超伝導転移温度（Tc）が圧力によって軟化する横偏光フォノンモードとの強化結合によって崩壊することを示した。著者らは、双極子的電荷フラクチュエーションに起因する2つの混合縦極性モードを介した電子対結合のモデルを提唱し、量子臨界点近傍でキャリア密度が高くなるとTcが向上すると予測する。一方、低密度ではTcが抑制される。このモデルは、反強誘電体量子臨界系における高Tc超伝導体の設計にフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Superconductivity has been observed in doped SrTiO$_3$ at charge-carrier densities below 10$^{18}$ cm$^{-3}$, where the density of states at the Fermi level of the itinerant electrons is several orders of magnitude lower than that of conventional metals. In terms of the Bardeen-Cooper-Schrieffer description, this implies the existence of an extraordinarily strong interaction driving the formation of Cooper pairs, potentially comparable in order of magnitude to that in some high Tc superconductors. Under suitable conditions the interaction might remain effective at densities approaching metallic densities, leading to the possibility of pair formation at elevated temperatures. Here we investigate the pressure dependence of the resistivity and superconducting transition temperature, Tc, of SrTiO$_3$ at a carrier density near to optimal doping. Our experiments show that Tc collapses rapidly with pressure and hence with increasing frequency of the soft transverse-optical phonon mode connected to the ferroelectric quantum critical point. We show that the superconductivity phase diagram can be understood in terms of the coupling of electrons via two hybrid longitudinal polar modes, based on a model of dipolar fluctuations of the charge carrier-ion system. In particular, we predict that for carrier densities above the order of 10$^{18}$ cm$^{-3}$, Tc can be strongly enhanced on approaching the ferroelectric quantum critical point, as seen in our measurements of SrTiO$_3$ and as found in many electrically conducting magnetic analogues. However below this density we predict the reverse behaviour, namely that Tc is suppressed on approaching the ferroelectric quantum critical point. Our model is also relevant to superconductivity found in gated ferroelectric quantum critical systems such as KTaO$_3$ and can guide searches for new superconductors in a diversity of materials.

研究の動機と目的

• 低キャリア密度（約10¹⁸ cm⁻³）におけるSrTiO₃の超伝導性の起源を理解すること。この領域では、従来のBCS理論が極めて弱い電子対結合を予測する。
• 水圧圧力によって反強誘電体量子臨界点に近づく系において、超伝導転移温度（Tc）の変化を調査すること。
• 観測されたTcの崩壊とキャリア密度およびフォノンの軟化依存性を説明する理論的モデルの構築。
• 量子臨界点を越えてTcの挙動を予測し、低密度では抑制され、最適ドーピングでは向上する挙動を区別すること。
• KTaO₃などの他の量子臨界系にこのモデルを拡張し、新たな超伝導体の発見を支援すること。

提案手法

• 水圧圧力をかけることで反強誘電体量子臨界点に近づく系にしたSrTiO₃における抵抗率とTcの測定。
• 量子臨界点に近づくにつれて減少する軟化した横偏光フォノンモード周波数の圧力依存性の分析。
• 双極子的電荷キャリア-イオン系のフラクチュエーションに起因する2つの混合縦極性モードに起因する電子結合に基づく理論的モデルの構築。
• これらのモードによって媒介される有効な電子間相互作用を記述するための双極子フラクチュエーションの擬似実験的モデルの使用。
• 実験的Tcデータと理論的予測の比較を通じて、異なるキャリア密度においてモデルの妥当性を検証。
• 他の材料（例：KTaO₃）における同様の条件下でのTc挙動を予測するため、モデルの外挿を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrTiO₃における超伝導転移温度（Tc）は圧力下でどのように変化し、その急激な崩壊を引き起こす要因は何か？
• RQ2 反強誘電体量子臨界点近傍で、軟化した横偏光フォノンモードが電子対結合をどのように媒介するか？
• RQ3 なぜ低キャリア密度（約10¹⁸ cm⁻³）ではTcが抑制されるが、量子臨界点近傍でキャリア密度が高い領域ではTcが向上する可能性があるのか？
• RQ4 双極子フラクチュエーションおよび混合縦極性モードに基づくモデルは、SrTiO₃における観測された超伝導相図を説明できるか？
• RQ5 このモデルは、他の反強誘電体量子臨界材料における超伝導性を予測するためにどの程度一般化可能か？

主な発見

• SrTiO₃におけるTcは圧力が上昇するに従い急速に低下し、反強誘電体量子臨界点に近づくにつれて横偏光フォノンモード周波数が軟化するのと相関している。
• 低キャリア密度（約10¹⁸ cm⁻³）におけるTcの抑制は、軟化フォノンへの強い結合によって無効化される混合縦極性モードを介した電子対結合の支配的役割に起因する。
• 高キャリア密度領域では、モデルが逆転した挙動を予測する：量子臨界点に近づくにつれて、集団的双極子フラクチュエーションへの最適な結合が生じ、Tcが強く向上する。
• 実験データと理論モデルは、従来の電子-フォノン結合ではなく、集団的双極子フラクチュエーションによって駆動される電子対結合のメカニズムと整合している。
• このモデルは、SrTiO₃におけるTcの非単調な挙動をうまく説明でき、反強誘電体量子臨界系（例：KTaO₃）における新しい超伝導体の同定に予測的フレームワークを提供する。
• 本研究は、キャリア密度と量子臨界点への近接性の間の相乗的相互作用が、相関酸化物における超伝導転移温度のチューニングに不可欠であることを明らかにした。