[论文解读] 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 Cheung+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过比热测量，调查了在 $x \approx 0.9$ 附近结构量子临界点（QCP）处的 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 中强耦合超导性，揭示了声子软化和增强的超导能隙参数。关键发现是在 QCP 附近 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}} \approx 6.67$ 和 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}} \approx 3.47$ 显著增强，超过 BCS 预测值，表明由晶格不稳定性驱动的强电子-声子耦合。

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.

研究动机与目标

• 研究 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 系列中结构量子临界性与超导性之间的相互作用。
• 确定晶格动力学，特别是声子软化，如何影响结构 QCP 附近的超导配对。
• 通过正常态和超导态下的比热测量量化电子-声子耦合强度。
• 确定观测到的超导能隙参数在 QCP 附近是否超过 BCS 预期。

提出的方法

• 在物理性质测量系统中使用脉冲弛豫法对 $x = 0$ 到 $x = 1$ 的 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 单晶进行了比热测量。
• 测量了样品台和 Apiezon N 油的背景比热并予以扣除，同时进行了额外的高场（≤5 T）测量以分离出样品本身的贡献。
• 利用改进的德拜模型，从低温比热数据中提取了有效德拜温度 ($\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$) 和爱因斯坦温度 ($\Theta_{\text{E}}$)。
• 根据 $T_{\text{c}}$ 处的比热跳跃和电子比热系数 $\gamma$，计算了超导能隙参数 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 和 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$。
• 分析了 $T_{\text{c}}$、$\gamma$、$\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$ 和 $\Theta_{\text{E}}$ 随 $x$ 的依赖关系，以绘制相图并识别在 $x \approx 0.9$ 处结构 QCP 附近的临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在结构量子临界点附近，声子软化如何影响 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 的超导能隙参数？
• RQ2 在 QCP 附近，超导能隙参数 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 和 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 超过 BCS 预测值的程度如何？
• RQ3 有效德拜温度与该体系中结构不稳定性出现之间的关系是什么？
• RQ4 超导能隙参数的增强是否与结构转变温度 $T^*$ 的抑制相关？
• RQ5 该体系是否可被描述为由晶格不稳定性驱动的强耦合超导性的模型？

主要发现

• 与 $x = 0$ 相比，在 $x = 0.9$ 处有效德拜温度 $\Theta_{\text{D}}^{\text{eff}}$ 降低了约 33%，表明在结构 QCP 附近存在显著的声子软化。
• 在 $x = 0.9$ 附近，爱因斯坦温度 $\Theta_{\text{E}}$ 也明显降低，支持了晶格不稳定性导致低能声子模式存在的结论。
• 超导转变温度 $T_{\text{c}}$ 在 $x \approx 0.95$ 处达到峰值，与结构 QCP 位置一致，$T_{\text{c}} \approx 5.5$ K。
• 比值 $2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 在 $x = 0.95$ 处达到约 6.67 的最大值，显著超过 BCS 的 1.43，甚至超过强耦合超导性的理论预测值。
• 比值 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 在 $x = 0.95$ 处达到约 3.47，同样超过 BCS 的 1.43，表明超导能隙被强烈增强。
• 在 QCP 附近，$2\Delta/k_{\text{B}}T_{\text{c}}$ 和 $\Delta C/\gamma T_{\text{c}}$ 的增强表明强电子-声子耦合由结构量子临界性驱动，确立了 (Ca$_x$Sr$_{1-x}$)$_3$Rh$_4$Sn$_{13}$ 作为此类相互作用的模型体系。