Nat. Commun.：电子掺杂钛酸锶将超导性提高至非磁量子临界点

【引言】

回顾凝聚态物理的研究发展史，SrTiO₃是研究最为广泛的过渡族金属氧化物之一。它是一种简单绝缘体，Ti的3d能带和O的2p能带之间存在约3.3eV的带隙，具有多种新奇的性质，因此SrTiO₃仍是研究的热点。在大约105K处，TiO₆八面体会沿[001]轴发生交错式的旋转，使SrTiO₃发生反铁畸变(antiferrodistortive phase transition)。很多研究认为这一反铁畸变对铁电相变有抑制作用，通过第一性原理计算更高温度下的情形，也支持这一结果。然而，在极低温度下SrTiO₃的铁电性被抑制的原因仍不得而知。

【成果简介】

目前，大多数有关量子临界点（QCP）的研究都关注的是磁性量子临界点。近日，日本产业技术综合研究所的Yasuhide Tomioka博士和Isao H. Inoue研究员（共同通讯作者）在Nature Communications上发表了题为“Enhanced superconductivity close to a nonmagnetic quantum critical point in electron-doped strontium titanate”的文章，报道了关于非磁量子临界点的相关研究成果。在此工作中，作者制备了低温下无局域化的Sr1-xLaxTi(¹⁶O1-z¹⁸Oz)3单晶，从而系统化地研究用La取代Sr而非引入氧空位的情形。基于理论模型的数据分析可预测3 × 10¹⁸ cm⁻³左右的铁电性量子临界点的形貌。该工作取得的成果为研究铁电性量子点新颖的物理行为提供了新的视角。

【图文导读】

图1：Sr_1-xLa_xTiO₃单晶的电阻率和超导率。

(a)Sr_1-xLa_xTiO₃单晶的电阻率和温度T的依赖关系，x是原材料中La取代Sr的取代量；

(b,c) Sr_1-xLa_xTiO₃单晶的电阻率和温度的平方的关系；

(d) 用³He/⁴He稀释致冷低温系统测量低于1K下，电阻率与温度的关系曲线，使用的是和(a)图相同的样品。

图2：Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃单晶的电阻率和超导率。

(a)¹⁸O交换的Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃和Sr_1−xLa_xTiO₃比较，电阻率和温度的依赖关系；

(b)电阻率和温度平方的函数关系曲线，虚线表示拟合实验数据的ρ~AT²关系；

(c)图(a)中所有Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃样品，A取对数后的值和载流子密度n的函数关系曲线；

(d-f) 用³He/⁴He稀释致冷低温系统测量，低于1K下剩余电阻率ρ₀和超导转变温度T_c的函数关系曲线。

图3：La取代和¹⁸O交换的超导穹顶的演化。

(a)图1(a)和图2(a)中所示的Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃单晶样品的T_c和n的关系曲线；

(b)基于参考文献[18]的理论模型计算得到的曲线，可以和(a)中部分的实验数据相比较；

(c)从Sr_1−xLa_xTiO₃（红色方块）和Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃（蓝色方块）的实验测得T_c值推导，得出隧穿能量Г和费米温度T_F的关系；

(d)图(c)中隧穿能量Г穿过Г=1的放大图。

图4：La取代和¹⁸O交换的示意图。

(a)α) SrTi(¹⁶O_1-z¹⁸O_z)_3-δ and β) Sr_1-xCa_xTiO_3-δ的超导转变温度和载流子密度的关系；

(b)Sr_1−xLa_xTiO₃的超导转变温度和载流子密度的关系；

(c)的Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃的超导转变温度和载流子密度的关系。

【小结】

作者制备得到高质量的Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃单晶，在低掺杂区域内进行氧同位素交换。SrTiO₃中进行La元素取代是引入载流子的一个很理想的方法，此篇工作中的样品在低温下并未显示局域化的趋势。载流子的浓度对于Umklapp散射来说过小，然而，作者可以观察到ρ~AT²行为，并且系数A反映了费米表面的拓扑学变化，表明Sr_1−xLa_xTiO₃体系无法通过传统的费米液体理论来理解。超导转变温度T_c表现出类似于SrTiO_3−δ的圆顶状，对于Sr_1−xLa_xTi(¹⁶O_1−z¹⁸O_z)₃ (x ~ 0.0035， z ~ 0.6)来说，T_c的值也得到了明显的提高。该工作对隐含的铁电量子临界点模型给出了合理的证明。

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

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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