[论文解读] Strain-engineered interaction of quantum polar and superconducting phases

Chloe Herrera, Jonah Cerbin+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 77被引用 49

一句话总结

本研究证明，通过调控潜在量子极性（量子反铁电体）相与超导相之间的相互作用，单轴拉伸应变可增强掺铌钛酸锶（STO）的超导临界温度（Tc）。观察到Tc近乎提高50%，并有迹象显示提升幅度可达数百个百分点，归因于应变诱导的铁电声子模式软化，为预形成电子对的存在提供了直接证据，并揭示了氧化物材料中调控量子相相互作用的机制。

ABSTRACT

Much of the focus of modern condensed matter physics concerns control of quantum phases with examples that include flat band superconductivity in graphene bilayers, the interplay of magnetism and ferroelectricity, and induction of topological transitions by strain. Here we report the first observation of a reproducible and strong enhancement of the superconducting critical temperature, $T_c$, in strontium titanate (SrTiO3) obtained through careful strain engineering of interacting superconducting phase and the polar quantum phase (quantum paraelectric). Our results show a nearly 50% increase in $T_c$ with indications that the increase could become several hundred percent. We have thus discovered a means to control the interaction of two quantum phases through application of strain, which may be important for quantum information science. Further, our work elucidates the enigmatic pseudogap-like and preformed electron pairs phenomena in low dimensional strontium titanate as potentially resulting from the local strain of jammed tetragonal domains.

研究动机与目标

• 通过量子相的应变工程，实验验证在钛酸锶（STO）中对超导临界温度（Tc）的调控。
• 通过探究潜在量子反铁电涨落的作用，解决掺杂STO中配对机制的长期争议。
• 阐明低维STO中赝能隙行为和预形成电子对的起源，将其与成分非均匀性区分开来。
• 在单域STO晶体中，建立一种清洁的、非化学方法，通过单轴应变调控量子相相互作用。

提出的方法

• 沿特定晶轴对窄而单晶的SrTi1−xNbxO3棒施加原位单轴拉伸和压缩应变，以促进x-单域态的形成。
• 使用集成于稀释制冷机和偏振光学显微镜中的定制应变腔，实现实时电阻和光学测量。
• 采用超低噪声电桥和皮伏级放大技术，实现对电阻转变的高灵敏度检测（低至数百皮伏）。
• 通过应变计测量和光学成像，将结构域取向（特别是x-结构域）与Tc变化相关联，并确认可逆性。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算应变下声子模式的软化，特别是平行于反铁电畸变（AFD）轴的铁电模式。
• 将Tc定义为电阻下降至正常电阻98%的起始点，以最小化电流依赖性加热效应并确保准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轴拉伸应变是否可通过调控潜在量子极性相与超导相之间的相互作用，增强单域掺铌STO的Tc？
• RQ2 所观察到的Tc提升是否由晶格缺陷引起，还是源于本征电子或声子态的变化？
• RQ3 STO中赝能隙行为和预形成配对是否源于四方结构域中的局部应变，而非化学非均匀性？
• RQ4 铁电声子模式的应变诱导软化与Tc提升之间是否存在相关性？

主要发现

• 在最优掺杂的SrTi0.99Nb0.01O3中，单轴拉伸应变下可重复观察到Tc近乎提高50%，并有迹象显示提升幅度可达数百个百分点。
• Tc的提升具有可逆性，且在释放应变后可完全恢复，排除了永久晶格缺陷作为原因的可能性。
• 在压缩应变下Tc降低，证实该效应具有应变依赖性，并支持声子模式硬化在其中的作用。
• Tc的提升与平行于AFD轴的铁电声子模式软化密切相关，且该关系经DFT计算得到证实。
• 光学成像证实，x-结构域沿应变轴的优先取向对Tc提升至关重要，而y-和z-结构域不主导超电流路径。
• 正常态电阻在应变下基本保持不变，表明Tc的变化并非由缺陷相关散射或渗流效应引起。