[论文解读] Superconductivity in the dilute single band limit in reduced Strontium Titanate

Terence Bretz-Sullivan, Alexander Edelman+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究报道了在载流子密度低于1.4 × 10¹⁸ cm⁻³时，还原的SrTiO₃单晶中存在超导性，此时仅占据单个能带。尽管掺杂程度极低，转变温度仍保持近似恒定，Tc ≈ 65 ± 25 mK，表明在均匀的三维电子气中存在一种非传统的、非均匀的超导态，无抗磁屏蔽效应，且临界电流密度较低。

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.

研究动机与目标

• 研究在仅占据单个能带的载流子密度下，SrTiO₃中的超导性，延伸至极稀疏单带极限。
• 确定超导性是否在载流子密度低于1.4 × 10¹⁸ cm⁻³时仍存在，接近任何已知超导体中的最低值。
• 理解当态密度较低且Tc保持恒定时，传统BCS理论失效情况下的超导态本质。
• 通过输运、磁学和涨落测量手段，探测超导性的空间非均匀性。

提出的方法

• 在零磁场下测量六个样品（A–F）和十个样品（A–J）沿[011]方向的电阻率转变，以确定Tc随载流子密度的变化关系。
• 进行Shubnikov–de Haas（SdH）振荡测量，以确认存在单一、球形的费米面，并验证霍尔测量所得的载流子密度。
• 分析反常导电性，并采用有效介质理论（EMT）建模电阻率转变，与幂律涨落理论进行比较。
• 在EMT中采用高斯分布的Tc模型，以解释电阻率转变的展宽及无明显跃迁点的现象。
• 在20 mK温度下进行隧道二极管振荡器测量，以探测抗磁屏蔽效应，未检测到显著信号。
• 基于BCS和非BCS配对机制的理论分析，解释尽管载流子密度n变化显著，Tc仍保持恒定的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅占据单个能带、载流子密度低于1.4 × 10¹⁸ cm⁻³的SrTiO₃中，超导性是否仍然存在？
• RQ2 为何Tc在载流子密度变化超过一个数量级的范围内几乎保持恒定，与BCS理论预期相反？
• RQ3 在未观测到抗磁屏蔽效应且临界电流密度较低的条件下，超导态的空间特性是什么？
• RQ4 电阻率转变是否可由渗流型超导路径而非热涨落来解释？
• RQ5 在该极稀疏极限下，超导能隙和上临界磁场如何随载流子密度演化？

主要发现

• 在载流子密度低至1.03 × 10¹⁷ cm⁻³时观察到超导性，电阻率转变温度Tc ≈ 65 ± 25 mK。
• 在n = 3.85 × 10¹⁶ cm⁻³时观察到部分电阻率转变，表明超导涨落的开始。
• Shubnikov–de Haas振荡证实存在单一、球形的费米面，且SdH与霍尔测量所得的载流子密度一致，表明为均匀的三维电子气。
• 在20 mK下未观测到抗磁屏蔽效应，表明超导态是非均匀的，且局限于小于伦敦穿透深度的区域。
• 上临界磁场相对较高且各向同性，表明超导能隙发展良好，并随载流子密度增加而增大。
• 采用具有高斯分布Tc的有效介质理论，其对电阻率转变的拟合优于涨落理论，支持渗流型超导转变机制。