[논문 리뷰] Phonon mechanism in the most dilute superconductor: n-type SrTiO3

L. P. Gor’kov|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 03.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 n형 SrTiO3에서 초전도성의 기원이 종방향 광학(LO) 격자 진동에 의해 매개되는 전자 쌍화에 기인한다고 제안하며, 낮은 도핑에서는 밀도 상태의 증가와 높은 도핑에서는 전자-LO 격자 진동 상호작용의 감소로 인해 전자 농도에 따라 전이 온도 Tc가 도자 모양의 의존성을 보이는 이유를 설명한다. 이 이론은 실험적으로 관측된 Tc(n) 도자 형태의 의존성과 세 개의 연속된 최대값을 가진다. 이 최대값들은 세 개의 도닝 밴드가 순차적으로 채워짐에 따라 발생한다.

ABSTRACT

Superconductivity of doped SrTiO3 is proven to be a particular case of the broader concept of the non-adiabatic pairing mediated by phonons with frequency comparable or larger the Fermi energy. We argue that, for carrier concentrations exceeding that of the mobility edge, the superconductivity of doped SrTiO3 is mediated by interaction of electrons with several longitudinal (LO) optical polar phonons. The electronic spectrum of SrTiO3 consists at low temperatures of three conduction bands which are successively doped. Each band contributes to the Cooper instability and exhibits a superconducting gap in the energy spectrum. The theory presented below predicts maxima in dependence of Tc(n)-the transition temperature on n, the number of electrons owing to the following mechanism. Doping by electrons increases density of states at the Fermi surface and Tc initially grows up. At the same time, screening on the part of accumulating charges tends to reduce amplitude of the electrical fields inherent in LO phonon modes and at larger concentrations the matrix element of interaction between electrons and LO phonons decreases. The compromise between the two tendencies leads to maxima in the Tc(n)-dependence providing interpretation to one of the most intriguing experimental findings in Xiao Lin et al [Phys. Rev. Lett. 112, 207002 (2014)]. Having reached a maximum in the third band, the superconducting transition finally decreases, rounding out the Tc(n)-dome, the three maxima in Tc(n)with accompanying superconducting gaps emerging consecutively as electrons fill successive bands. This arises from attributes of the LO optical phonon pairing mechanism. More generally, the mechanism opens prospect of increasing temperature of the superconducting transition in transition-metals oxides and other polar crystals.

연구 동기 및 목표

• 가장 희박한 알려진 초전도체인 n형 SrTiO3에서 초전도성의 기원을 설명하기 위해.
• 실험적으로 관측된 전자 농도에 따른 Tc의 허리케이드 형태의 의존성 문제를 해결하기 위해.
• 매우 낮은 실리콘 농도에도 불구하고 LO 격자 진동이 이 시스템에서 쿠퍼 쌍화를 매개한다는 것을 입증하기 위해.
• 전자들이 세 개의 도닝 밴드를 순차적으로 채우면서 나타나는 세 개의 초전도성 갭의 순차적 발생을 설명하기 위해.

제안 방법

• 비어디아바틱 전자-격자 진동 상호작용 기반의 수학적 체계로, Fermi 에너지와 유사하거나 이를 초월하는 진동수를 갖는 LO 격자 진동을 다룸.
• SrTiO3의 전자 구조 분석을 통해 도핑 농도가 증가함에 따라 순차적으로 채워지는 세 개의 별개의 도닝 밴드를 규명함.
• 전자-LO 격자 진동 매트릭스 요소를 사용한 쿠퍼 쌍화 불안정성 계산을 수행함. 이는 고밀도 영역에서의 스크리닝으로 인해 감소함.
• 밀도 상태의 증가와 전자-격자 진동 상호작용 강도의 감소를 균형 잡는 방식으로 Tc(n) 의존성 유도.
• 각 밴드에 대해 순차적 채움에 따라 초전도 갭 형성 모델링을 위한 다중 밴드 BCS 유사 접근법 사용.
• 고도핑 수준에서 전자 스크리닝 효과를 고려한 LO 격자 진동 모드 분석을 통해 효과적인 전자-격자 진동 상호작용 감소를 기술함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 n형 SrTiO3에서 초전도성이 발생하는 미세한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 왜 초전도 전이 온도 Tc는 전자 농도에 따라 도자 형태의 의존성을 보이는가?
• RQ3 SrTiO3의 세 개의 별개의 도닝 밴드는 다중 초전도 갭 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 고밀도 전자 농도에서 전자 스크리닝은 전자-LO 격자 진동 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 Tc(n) 도자 형태는 다중 밴드 시스템에서 격자 진동에 의해 매개되는 쌍화 메커니즘으로 정량적으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 초기 도핑 농도에서 전자 농도가 증가함에 따라 Fermi 표면 근처의 밀도 상태가 증가함에 따라 Tc가 증가한다.
• 높은 도핑 수준에서 LO 격자 진동 모드의 스크리닝으로 전자-격자 진동 상호작용 매트릭스 요소가 감소하여 Tc가 최대에 도달한 후 감소한다.
• Tc(n) 곡선은 세 개의 뚜렷한 최대값을 가지며, 이는 SrTiO3의 세 개의 도닝 밴드가 순차적으로 채워짐에 따라 발생한다.
• 각 밴드는 독립적으로 쿠퍼 불안정성에 기여하여 순차적으로 나타나는 세 개의 관측 가능한 초전도 갭을 형성한다.
• 이 메커니즘은 Xiao Lin 등(2014)이 보고한 실험적 Tc(n) 도자 형태를 초전도성의 비정상적 쌍화나 강한 상관 효과를 요구하지 않고 정량적으로 설명할 수 있다.
• 이 이론은 격자 진동에 의해 매개되는 쌍화 메커니즘을 통해 극성 산화물 및 전이 금속 산화물의 Tc 향상에 일반적인 프레임워크를 제공한다.