[論文レビュー] Phonon mechanism in the most dilute superconductor: n-type SrTiO3

L. P. Gor’kov|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、n型SrTiO3における超伝導が、縦光学（LO）フォノンによって媒介される電子対形成によって生じることを提案している。遷移温度Tcは、低ドーピングでは状態密度の増加と、高ドーピングでは電子-LOフォノン結合の減少という相反する効果の影響を受けて、電子濃度に依存してドーム型の依存関係を示す。理論は、三つの導電帯が逐次満たされるに従って観測される実験的Tc(n)のドーム型依存関係を説明し、三つの明確な最大値を示す。

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.

研究の動機と目的

• 最も希薄な既知の超伝導体、n型SrTiO3における超伝導の起源を説明すること。
• 実験的に観測されたTcの電子濃度依存性がドーム型を示す理由を解明すること。
• 極めて低いキャリア密度であるにもかかわらず、LOフォノンがクーパー対形成を媒介していることを確立すること。
• 電子が三つの導電帯を逐次満たすに従って、三つの超伝導ギャップが順次出現する仕組みを説明すること。

提案手法

• 電子-フォノン結合の非断熱的扱いに基づく形式的枠組みを採用し、フェルミエネルギーと同等またはそれ以上のエネルギーを持つLOフォノンを扱う。
• SrTiO3の電子構造の解析により、電子ドーピングの増加に従って逐次的に満たされる三つの明確な導電帯を同定する。
• 電子-LOフォノン行列要素を用いたクーパー対不安定性の計算を行い、高濃度領域ではスクリーニングによって行列要素が減少することを示す。
• 状態密度の増加と電子-フォノン結合強度の低下のバランスを取ることで、Tc(n)の依存関係を導出する。
• 各バンドにおける超伝導ギャップ形成をモデル化するため、多バンドBCSに類似したアプローチを用いる。
• 高ドーピング領域におけるLOフォノンモードへのスクリーニング効果を組み込み、有効な電子-フォノン結合を低下させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も希薄なn型SrTiO3における超伝導の微視的メカニズムは何か？
• RQ2 なぜ超伝導転移温度Tcは電子濃度に依存してドーム型の依存関係を示すのか？
• RQ3 SrTiO3に存在する三つの異なる導電帯は、複数の超伝導ギャップ形成にどのように寄与するか？
• RQ4 高キャリア密度領域における電子スクリーニングは、電子-LOフォノン結合にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 観測されたTc(n)ドーム型依存関係は、多バンド系におけるフォノン媒介対形成メカニズムによって定量的に説明可能か？

主な発見

• 超伝導転移温度Tcは、電子濃度の増加に伴いフェルミ面における状態密度の上昇により、当初は上昇する。
• 高ドーピング領域では、LOフォノンモードのスクリーニングにより電子-フォノン結合行列要素が減少し、Tcは最大値に達した後低下する。
• Tc(n)曲線は三つの明確な最大値を示し、これはSrTiO3における三つの導電帯が逐次的に満たされるに従って対応する。
• 各バンドは独立してクーパー不安定性に寄与し、三つの観測可能な超伝導ギャップが順次出現する。
• 理論は、Xiao Linら（2014年）が報告した実験的Tc(n)ドーム型依存関係を、非単純対形成や強い電子相関を仮定せずに説明可能である。
• この理論は、フォノン媒介対形成を用いた極性酸化物および遷移金属酸化物におけるTcの向上に一般的なフレームワークを提供する。