[논문 리뷰] Superconductivity in the dilute single band limit in reduced Strontium Titanate

Terence Bretz-Sullivan, Alexander Edelman외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 단일 밴드가 점유되는 조건에서, 전자 농도가 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³ 이하인 감소된 SrTiO₃ 단일 결정에서 초전도성을 보고한다. 매우 낮은 도핑 조건임에도 불구하고 전이 온도는 Tc ≈ 65 ± 25 mK로 거의 일정하게 유지되며, 이는 균일한 3D 전자 기체 내에 존재하는 비보편적이고 비균일한 초전도 상태임을 시사한다. 이 상태는 자화율 스크리닝이 없으며, 낮은 임계 전류 밀도를 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 밴드만 점유되는 전자 농도에서 SrTiO₃의 초전도성을 조사하여, 희박한 단일 밴드 한계로의 연장선을 탐색한다.
• 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³ 이하의 전자 농도에서 초전도성이 유지되는지 확인한다. 이는 어떤 초전도체에서도 알려진 바 가장 낮은 값에 가까운 조건이다.
• 전도도 상태가 낮은 상태 밀도로 인해 BCS 이론이 실패하는 조건에서, 초전도 상태의 성격을 이해한다.
• 전기적, 자기적, 변동 측정을 통해 초전도성의 공간 비균일성을 탐구한다.

제안 방법

• 영자기장 조건에서 여섯 개의 샘플(A–F)과 [011] 방향으로 열 개의 샘플(A–J)에서 저항성 전이를 측정하여 전자 농도에 따른 Tc를 결정한다.
• Shubnikov–de Haas(SdH) 진동 측정을 수행하여 단일이고 구형의 패러미터 표면를 확인하고, 홀 측정을 통한 전자 농도의 타당성을 검증한다.
• 비정상 전도도 분석과 효과적 매질 이론(EMT)을 사용하여 저항성 전이를 모델링하고, 거듭제곱 법칙 기반의 변동 이론와 비교한다.
• EMT 내에서 Tc가 가우시안 분포를 따르는 모델을 도입하여 넓은 저항성 전이와 급격한 점프의 부재를 설명한다.
• 20 mK까지의 터널 다이오드 온도계 측정을 통해 자화율 스크리닝을 탐색하였으나, 검출 가능한 신호가 없었다.
• BCS와 비-BCS 쌍성 메커니즘을 기반으로 한 이론적 분석을 통해 전자 농도의 큰 변화에도 불구하고 Tc가 일정한 이유를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 밴드만 점유되는 조건에서 전자 농도가 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³ 이하일 때, SrTiO₃에서 초전도성이 유지되는가?
• RQ2 전자 농도가 10배 이상 변화하는 동안 Tc가 거의 일정한 이유는 무엇이며, 이는 BCS 이론의 예측과 정반대인가?
• RQ3 자화율 스크리닝이 없고 임계 전류 밀도가 낮은 조건에서, 초전도 상태의 공간적 성격은 어떠한가?
• RQ4 저항성 전이가 열적 변동이 아닌, 초전도성 연장 경로의 퍼콜레이션 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 희박한 조건에서 초전도 갭과 상한 임계 자기장은 전자 농도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 초전도성은 전자 농도 1.03 × 10¹⁷ cm⁻³까지 관측되며, Tc ≈ 65 ± 25 mK에서 저항성 전이가 관측된다.
• n = 3.85 × 10¹⁶ cm⁻³에서 부분적인 저항성 전이가 관측되어 초전도성 변동의 시작을 시사한다.
• Shubnikov–de Haas 진동 측정을 통해 단일이고 구형의 패러미터 표면가 확인되었으며, SdH와 홀 측정의 전자 농도가 일치하여 균일한 3D 전자 기체임을 확인한다.
• 20 mK까지 자화율 스크리닝이 관측되지 않아, 초전도 상태가 비균일하며 룬던 침투 깊이보다 작은 영역에 국한되어 있음을 시사한다.
• 상한 임계 자기장은 비교적 높고 등방성으로 나타나, 전자 농도 증가에 따라 잘 발달된 초전도 갭이 증가함을 나타낸다.
• 효과적 매질 이론(EMT)에 가우시안 분포를 가진 Tc 모델을 적용한 결과, 변동 이론보다 저항성 전이와 더 잘 일치한다. 이는 퍼콜레이션 초전도 전이를 지지한다.