Nat. Commun.：電子摻雜鈦酸鍶將超導性提高至非磁量子臨界點

【引言】

回顧凝聚態物理的研究發展史，SrTiO₃是研究最為廣泛的過渡族金屬氧化物之一。它是一種簡單絕緣體，Ti的3d能帶和O的2p能帶之間存在約3.3eV的帶隙，具有多種新奇的性質，因此SrTiO₃仍是研究的熱點。在大約105K處，TiO₆八面體會沿[001]軸發生交錯式的旋轉，使SrTiO₃發生反鐵畸變(antiferrodistortive phase transition)。很多研究認為這一反鐵畸變對鐵電相變有抑制作用，通過第一性原理計算更高溫度下的情形，也支持這一結果。然而，在極低溫度下SrTiO₃的鐵電性被抑制的原因仍不得而知。

【成果簡介】

目前，大多數有關量子臨界點（QCP）的研究都關注的是磁性量子臨界點。近日，日本產業技術綜合研究所的Yasuhide Tomioka博士和Isao H. Inoue研究員（共同通訊作者）在Nature Communications上發表了題為“Enhanced superconductivity close to a nonmagnetic quantum critical point in electron-doped strontium titanate”的文章，報道了關于非磁量子臨界點的相關研究成果。在此工作中，作者制備了低溫下無局域化的Sr1-xLaxTi(¹⁶O1-z¹⁸Oz)3單晶，從而系統化地研究用La取代Sr而非引入氧空位的情形。基于理論模型的數據分析可預測3 × 10¹⁸ cm^?3左右的鐵電性量子臨界點的形貌。該工作取得的成果為研究鐵電性量子點新穎的物理行為提供了新的視角。

【圖文導讀】

圖1：Sr_1-xLa_xTiO₃單晶的電阻率和超導率。

(a)Sr_1-xLa_xTiO₃單晶的電阻率和溫度T的依賴關系，x是原材料中La取代Sr的取代量；

(b,c) Sr_1-xLa_xTiO₃單晶的電阻率和溫度的平方的關系；

(d) 用³He/⁴He稀釋致冷低溫系統測量低于1K下，電阻率與溫度的關系曲線，使用的是和(a)圖相同的樣品。

圖2：Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃單晶的電阻率和超導率。

(a)¹⁸O交換的Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃和Sr_1?xLa_xTiO₃比較，電阻率和溫度的依賴關系；

(b)電阻率和溫度平方的函數關系曲線，虛線表示擬合實驗數據的ρ~AT²關系；

(c)圖(a)中所有Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃樣品，A取對數后的值和載流子密度n的函數關系曲線；

(d-f) 用³He/⁴He稀釋致冷低溫系統測量，低于1K下剩余電阻率ρ₀和超導轉變溫度T_c的函數關系曲線。

圖3：La取代和¹⁸O交換的超導穹頂的演化。

(a)圖1(a)和圖2(a)中所示的Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃單晶樣品的T_c和n的關系曲線；

(b)基于參考文獻[18]的理論模型計算得到的曲線，可以和(a)中部分的實驗數據相比較；

(c)從Sr_1?xLa_xTiO₃（紅色方塊）和Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃（藍色方塊）的實驗測得T_c值推導，得出隧穿能量Г和費米溫度T_F的關系；

(d)圖(c)中隧穿能量Г穿過Г=1的放大圖。

圖4：La取代和¹⁸O交換的示意圖。

(a)α) SrTi(¹⁶O_1-z¹⁸O_z)_3-δ and β) Sr_1-xCa_xTiO_3-δ的超導轉變溫度和載流子密度的關系；

(b)Sr_1?xLa_xTiO₃的超導轉變溫度和載流子密度的關系；

(c)的Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃的超導轉變溫度和載流子密度的關系。

【小結】

作者制備得到高質量的Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃單晶，在低摻雜區域內進行氧同位素交換。SrTiO₃中進行La元素取代是引入載流子的一個很理想的方法，此篇工作中的樣品在低溫下并未顯示局域化的趨勢。載流子的濃度對于Umklapp散射來說過小，然而，作者可以觀察到ρ~AT²行為，并且系數A反映了費米表面的拓撲學變化，表明Sr_1?xLa_xTiO₃體系無法通過傳統的費米液體理論來理解。超導轉變溫度T_c表現出類似于SrTiO_3?δ的圓頂狀，對于Sr_1?xLa_xTi(¹⁶O_1?z¹⁸O_z)₃ (x ~ 0.0035， z ~ 0.6)來說，T_c的值也得到了明顯的提高。該工作對隱含的鐵電量子臨界點模型給出了合理的證明。

文獻鏈接：Enhanced superconductivity close to a non-magnetic quantum critical point in electron-doped strontium titanate（Nat. Commun.，DOI：10.1038/s41467-019-08693-1）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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