[논문 리뷰] 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 Cheung외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 10.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 $x \approx 0.9$ 에서 구조적 양자临계점(QCP) 근처의 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$에서 특정 열용량 측정을 통해 견고한 전자-음향파 상호작용에 의해 유도되는 강한 결합 초전도성의 특성을 조사한다. 주요 발견은 QCP 근처에서 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}} \approx 6.67$ 과 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}} \approx 3.47$ 로 극적으로 증가하며, 이는 BCS 이론 예측을 초월하고 음향파 연약화에 의해 유도된 강한 전자-음향파 결합을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 계열에서 구조적 양자临계점과 초전도성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 특히 음향파 연약화가 구조적 QCP 근처에서 초전도성 쌍성립에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 정상 상태와 초전도 상태에서의 특정 열용량 측정을 통해 전자-음향파 결합의 강도를 정량화하기 위해.
• 관측된 초전도 갭 매개변수들이 QCP 근처에서 BCS 이론 예측을 초월하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 단결정 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$에 대해 $x = 0$ 에서 $x = 1$ 에 이르는 범위에서 펄스 릴랙세이션 방법을 사용하여 물리적 성질 측정 시스템에서 특정 열용량 측정을 수행하였다.
• 샘플 플랫폼과 Apiezon N 기름의 배경 열용량을 측정하고 빼내었으며, 추가로 고자기장(≤5 T) 측정을 통해 샘플 고유의 기여를 분리하였다.
• 저온 특정 열용량 데이터를 바탕으로 수정된 딜라 모델을 사용하여 유효 딜라 온도 ($\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$)와 아이너스타 온도 ($\Theta_{\text{E}}$)를 추출하였다.
• 특정 열용량의 $T_{\text{c}}$에서의 점프와 전자 특정 열용량 계수 $\gamma$를 바탕으로 초전도 갭 매개변수 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$와 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$를 계산하였다.
• 구조적 QCP($x \approx 0.9$) 근처에서의 임계 행동을 규명하기 위해 $T_{\text{c}}$, $\gamma$, $\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$, $\Theta_{\text{E}}$ 의 $x$ 의존성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조적 양자临계점 근처에서의 음향파 연약화가 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$의 초전도 갭 매개변수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 QCP 근처에서 초전도 갭 매개변수 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 와 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 가 BCS 예측을 얼마나 초월하는가?
• RQ3 유효 딜라 온도와 이 시스템에서의 구조적 불안정성의 시작 사이에 어떤 관계가 있는가?
• RQ4 초전도 갭 매개변수의 증가가 구조 전이 온도 $T^*$ 의 억제와 상관관계가 있는가?
• RQ5 이 시스템은 구조적 불안정성에 의해 유도되는 강한 결합 초전도성의 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 유효 딜라 온도 $\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$ 는 $x = 0.9$ 에서 $x = 0$ 에 비해 약 33% 감소하여, 구조적 QCP 근처에서의 음향파 연약화를 나타낸다.
• 아이너스타 온도 $\Theta_{\text{E}}$ 도 $x = 0.9$ 근처에서 뚜렷이 감소하여, 구조적 불안정성에 의해 유도된 저에너지 음향파 모드의 존재를 뒷받침한다.
• 초전도 전이 온도 $T_{\text{c}}$ 는 $x \approx 0.95$ 에서 최고치를 보이며, 이는 구조적 QCP 와 일치하며, $T_{\text{c}} \approx 5.5$ K 이다.
• 비율 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 는 $x = 0.95$ 에서 최대값 $\sim 6.67$ 을 기록하며, BCS 값인 1.43 를 크게 초월하고, 강한 결합 초전도성에 대한 이론적 예측조차 초월한다.
• 비율 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 는 $x = 0.95$ 에서 $\sim 3.47$ 에 도달하여, BCS 값인 1.43 를 초월하며 강하게 증폭된 초전도 갭을 나타낸다.
• QCP 근처에서 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 와 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 의 증가가 초전도 갭 매개변수의 강한 전자-음향파 결합이 구조적 양자临계점에 의해 유도됨을 보여주며, (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 이 이러한 상호작용의 모델 시스템으로서 확립된다.