金属性SrTiO3中偶极关联长度尺度的掺杂依赖性研究：揭示量子顺电态与超导穹顶的关联机制

编辑推荐：本研究通过非弹性中子散射技术（INS）定量分析了Nb/La掺杂SrTiO3中软铁电声子模的色散关系，首次揭示了偶极关联长度?0随载流子浓度n的演化规律。研究发现超导穹顶的终止点与量子顺电态（?0≈a/2）的崩溃完全吻合，证实了软横光学声子模（TO）与横声学模（TA）的杂化对超导配对的关键作用，为量子顺电材料超导机制提供了直接实验证据。

　　在探索量子材料中普遍存在的超导穹顶现象时，科学家们长期被一个核心问题困扰：为何超导相会在特定掺杂浓度下突然消失？传统理论认为这与竞争序的涨落有关，但具体机制始终缺乏实验证据。以SrTiO₃为代表的量子顺电体为此提供了独特研究平台——其超导穹顶跨越三个数量级的载流子浓度（5×10¹⁷-10²¹ cm^-3），且母体材料具有反常的巨介电常数（ε≈2×10⁴）。法国巴黎萨克雷大学Benoit Fauqué团队联合瑞士保罗谢勒研究所等机构，通过系统研究掺杂SrTiO₃的声子动力学，解开了这个长达数十年的谜题。

研究团队采用非弹性中子散射（INS）测量了Nb/La掺杂SrTiO₃单晶的软铁电声子模色散，结合电输运测量和量子振荡数据分析，首次建立了偶极关联长度?₀=ν_TO/ω_TO（ν_TO为TO模速度，ω_TO为能量）与超导转变温度T_c的定量关系。关键实验发现包括：1）?₀从低掺杂时的3 nm骤降至高掺杂时的Ti-O间距（a/2≈0.2 nm）；2）TO模与TA模的杂化强度随掺杂增加而减弱；3）超导穹顶终止于n≈10²¹ cm^-3，与?₀达到原子尺度的临界点完全一致。这些结果发表于《Nature Communications》，为理解量子顺电材料中超导配对机制提供了范式转变。

技术方法上，研究结合了：1）浮区法制备La掺杂单晶与商业Nb掺杂样品；2）12 T强磁场下的四探针电输运测量确定载流子浓度；3）瑞士SINQ和法国ILL中子源的EIGER/IN8/TASP谱仪进行INS测量，解析TO模色散E²(q)=ω_TO²[1+?₀²q²]；4）量子振荡数据计算费米波矢k_F。

研究结果部分：
"Results"章节显示，INS测量揭示TO模能量ω_TO从n(Nb)=2.4×10¹⁸ cm^-3时的2.1 meV急剧增加至n(La)=1.6×10²¹ cm^-3时的17 meV，同时ν_TO下降40%。温度依赖实验证实，当n>2.3×10¹⁹ cm^-3时量子顺电态特征（强温度依赖性）完全消失。

"Discussion"部分通过对比?₀与k_F的演化规律，提出超导穹顶的双驱动力模型：低掺杂区T_c提升源于态密度增加（k_F增大），而高掺杂区T_c下降由?₀的快速减小主导。特别值得注意的是，第三能带的k_F³?₀乘积峰值出现在n=5×10¹⁹ cm^-3，恰与Nb掺杂样品T_c最大值对应，强烈支持理论预言的Rashba型电子-TO模耦合机制。

结论部分强调，该研究首次建立了超导穹顶边界与量子顺电态崩溃的定量关联，证实?₀是调控超导配对的关键长度尺度。这一发现不仅解决了SrTiO₃超导机制的长期争议，更为界面超导、铁电超导体等体系提供了普适性研究框架。未来通过研究Ca/Ba掺杂或塑性变形样品的?₀演化，有望进一步揭示量子临界涨落与超导的深层联系。