[论文解读] Superconductivity in the vicinity of a ferroelectric quantum phase transition

S. E. Rowley, Carsten Enderlein+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 68被引用 12

一句话总结

本文研究了在铁电量子临界点附近的SrTiO₃中的超导性，表明超导转变温度（Tc）在压力作用下因与软横光学声子的增强耦合而崩溃。作者提出了一种通过偶极电荷涨落产生的两种混合纵向极化模耦合电子配对的模型，预测在更高载流子密度下接近量子临界点时Tc将增强，而在较低密度下Tc则被抑制，为在铁电量子临界体系中设计高Tc超导体提供了理论框架。

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.

研究动机与目标

• 理解在低载流子密度（~10¹⁸ cm⁻³）下的SrTiO₃中超导性的起源，此时常规BCS理论预测电子配对极为微弱。
• 研究在静水压作用下超导转变温度（Tc）的演化，该压力可将系统调节至铁电量子临界点。
• 建立一个理论模型，解释观测到的Tc崩溃及其与载流子密度和声子软化的关系。
• 预测Tc在量子临界点附近的演化行为，区分低密度下的抑制与最佳掺杂下的增强。
• 将该模型扩展至其他量子临界体系（如KTaO₃），并指导新型超导体的发现。

提出的方法

• 在静水压下测量SrTiO₃的电阻率和Tc，以将系统调节至铁电量子临界点。
• 分析软横光学声子模式频率的压强依赖性，该频率在系统接近量子临界点时升高。
• 基于载流子-离子系统偶极涨落产生的两种混合纵向极化模，发展理论模型。
• 采用偶极涨落的唯象模型，描述由这些模态介导的有效电子-电子相互作用。
• 将实验测得的Tc数据与理论预测进行比较，以验证模型在不同载流子密度下的适用性。
• 将模型外推，以预测在类似条件下其他材料（如KTaO₃）中的Tc行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrTiO₃中的超导转变温度（Tc）在压力作用下如何演化，其快速崩溃的驱动力是什么？
• RQ2 软横光学声子模在铁电量子临界点附近介导电子配对中起什么作用？
• RQ3 为何在低载流子密度（~10¹⁸ cm⁻³）下Tc被抑制，但在接近量子临界点的较高密度下可能被增强？
• RQ4 基于偶极涨落和混合纵向极化模的模型能否解释SrTiO₃中观测到的超导相图？
• RQ5 该模型在多大程度上可推广，以预测其他铁电量子临界材料中的超导性？

主要发现

• SrTiO₃中的Tc随压力增加而迅速崩溃，其与系统接近铁电量子临界点时横光学声子模频率软化密切相关。
• 在低载流子密度（~10¹⁸ cm⁻³）下观测到的Tc抑制，归因于电子通过混合纵向极化模配对，而这些模在与软声子强耦合时变得无效。
• 在较高载流子密度下，模型预测行为发生反转：随着系统接近量子临界点，Tc因与集体偶极涨落的最优耦合而显著增强。
• 实验数据与理论模型一致，表明电子配对机制由集体偶极涨落驱动，而非传统的电子-声子耦合。
• 该模型成功解释了SrTiO₃中Tc的非单调行为，并为在铁电量子临界体系（如KTaO₃）中识别新型超导体提供了可预测的理论框架。
• 本研究揭示，载流子密度与接近量子临界点的程度之间的相互作用，是调控关联氧化物中超导转变温度的关键因素。