[논문 리뷰] Superconductivity in the vicinity of a ferroelectric quantum phase transition

S. E. Rowley, Carsten Enderlein외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 24.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 68인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 페로일렉트릭 양자临계점 근처에서 스트리아티타나이트(SrTiO₃)의 초전도성을 연구하며, 초전도 전이 온도(Tc)가 압력에 의해 소프트된 횡방향 광학 격자진동(soft transverse-optical phonons)과의 강한 결합으로 붕괴됨을 보여준다. 저자들은 이온-전자계의 두극자 전하 변동에서 기인하는 두 개의 하이브리드 종방향 극성 모드를 통한 전자 쌍성 모델을 제안하며, 더 높은 운반자 농도에서 양자임계점 근처에서 Tc 향상이 가능하다고 예측한다. 반면 낮은 농도에서는 Tc가 억제됨을 보이며, 이는 페로일렉트릭 양자임계점 시스템에서 고Tc 초전도체를 설계하는 데 기초가 되는 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 낮은 운반자 농도(~10¹⁸ cm⁻³)에서 초전도성의 기원을 이해하기 위해, 기존 BCS 이론이 극도로 약한 전자 쌍성 예측을 내리는 조건에서의 SrTiO₃ 초전도성 기원을 밝히는 것.
• 수압을 통해 페로일렉트릭 양자임계점으로 향하는 시스템을 조정하면서 초전도 전이 온도(Tc)의 변화를 연구하는 것.
• 관측된 Tc 붕괴와 운반자 농도 및 격자진동의 연화에 대한 의존성에 대한 이론적 모델을 개발하는 것.
• 양자임계점 근처에서 Tc의 거동를 예측하며, 낮은 농도에서는 억제되고 최적 도핑에서는 향상됨을 구분하는 것.
• KTaO₃와 같은 다른 양자임계점 시스템으로 모델을 확장하여 새로운 초전도체의 발견을 이끌어내는 것.

제안 방법

• 수압을 가한 상태에서 SrTiO₃의 저항도와 Tc를 측정하여 페로일렉트릭 양자임계점으로 향하는 시스템을 조정하는 것.
• 양자임계점에 접근함에 따라 감소하는 소프트한 횡방향 광학 격자진동 모드 주파수의 압력 의존성을 분석하는 것.
• 이온-전자계의 두극자 변동에서 기인하는 두 개의 하이브리드 종방향 극성 모드에 의한 전자 결합 기반의 이론적 모델을 개발하는 것.
• 이러한 모드에 의해 매개되는 효과적 전자-전자 상호작용을 기술하기 위해 두극자 변동의 현상학적 모델을 사용하는 것.
• 실험적 Tc 데이터와 이론적 예측을 비교하여 다양한 운반자 농도에서 모델의 타당성을 검증하는 것.
• 유사 조건에서 KTaO₃와 같은 다른 물질에서 Tc 거동을 예측하기 위해 모델을 외삽하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력에 의해 초전도 전이 온도(Tc)가 어떻게 변화하며, 그 빠른 붕괴를 이끄는 원인은 무엇인가?
• RQ2 페로일렉트릭 양자임계점 근처에서 소프트한 횡방향 광학 격자진동 모드가 전자 쌍성의 매개체로 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 왜 낮은 운반자 농도(~10¹⁸ cm⁻³)에서는 Tc가 억제되지만, 양자임계점 근처에서 높은 농도에서는 향상될 수 있는가?
• RQ4 두극자 변동과 하이브리드 종방향 극성 모드에 기반한 모델이 SrTiO₃에서 관측된 초전도 상도진단도를 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 페로일렉트릭 양자임계점 물질에서의 초전도성을 예측하기 위해 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• SrTiO₃의 Tc는 압력이 증가함에 따라 급격히 붕괴되며, 이는 페로일렉트릭 양자임계점에 접근함에 따라 횡방향 광학 격자진동 모드 주파수가 연화됨과 밀접한 상관관계를 가진다.
• 낮은 운반자 농도(~10¹⁸ cm⁻³)에서 관측된 Tc 억제 현상은 하이브리드 종방향 극성 모드를 통한 전자 쌍성이 소프트한 격자진동과의 강한 결합으로 인해 기능을 잃기 때문에 발생한다.
• 높은 운반자 농도에서는 모델이 행동의 반전을 예측한다: 시스템이 양자임계점에 접근함에 따라 집단적 두극자 변동과의 최적 결합으로 Tc가 크게 향상된다.
• 실험적 데이터와 이론적 모델은 전통적인 전자-격자진동 결합이 아닌, 집단적 두극자 변동에 의해 유도된 전자 쌍성 메커니즘과 일치한다.
• 이 모델은 SrTiO₃에서의 비단조화적인 Tc 거동을 성공적으로 설명하며, KTaO₃와 같은 페로일렉트릭 양자임계점 시스템에서 새로운 초전도체를 식별하는 데 예측 가능한 프레임워크를 제공한다.
• 본 연구는 운반자 농도와 양자임계점에의 근접성이 관련 산화물의 초전도 전이 온도 조절에 있어 핵심적임을 드러낸다.