Strontium titanate SrTiO_3 is a quantum paraelectric insulator. A ferroelectric order can be stabilized by chemical or isotopic substitution. Moreover, upon electron doping, the material can also be turned into a metal, which become superconducting at temperatures around 300 mK. So far, the superconducting pairing mechanism remains unknown. In 2017, the coexistence of a ferroelectric and superconducting phase was discovered in CaxSr1-xTiO3-d, accompanied by an enhancement of the critical temperature with respect to the non-ferroelectric SrTiO3. The aim of this work is to improve the knowledge of the phonons in this material in order to help to find new perspectives for the pairing mechanism. In this work, FTIR spectroscopy measurements on SrTiO3 and CaxSr1-xTiO3-d will be presented. Their temperature dependence will be analysed and changes arising upon Ca substitution will be discussed. From the experimental data, the optical conductivity of the samples will be computed using a Drude-Lorentz model for the dielectric function and Kramers-Kronig relations. This quantity gives new information on the phonons of this material and also microscopic information such as the effective mass of the free carriers in the metallic samples.

Il titanato di stronzio (SrTiO3) è un materiale isolante (con un gap di 3.22 eV), appartenente al gruppo delle perovskiti, che mostra un comportamento paraelettrico quantistico. Nel titanato di stronzio è possibile stabilizzare la fase ferroelettrica con sostituzione chimica (Sr con Ca) o isotopica (di ossigeno). In caso di drogaggio di tipo elettronico, il materiale diventa metallico e mostra uno stato superconduttore al di sotto di circa 300 mK. Il meccanismo che dà origine alla superconduttività nel titanato di stronzio rimane ignoto, nonostante nel materiale essa sia nota già dagli anni '60. Nel 2017 è stata scoperta la coesistenza della fase ferroelettrica e superconduttiva nel CaxSr1-xTiO3-d, la cui temperatura critica è maggiore rispetto a quella del titanato di stronzio; tale fenomeno può esser spiegato utilizzando una teoria critica quantistica, in cui il fonone ferroelettrico riveste un ruolo chiave. L’obiettivo del presente lavoro è di migliorare la conoscenza dei fononi nel CaSr1-xTiO3-d, in modo da poter discutere lo scenario quanto-critico e favorire la ricerca di un meccanismo di superconduttività nel titanato di stronzio. In questo progetto vengono presentate le misure di spettroscopia infrarosse e Raman sui campioni di SrTiO3 e CaxSr1-xTiO3-d. Inoltre è analizzata la loro dipendenza rispetto alla temperatura e sono discussi i cambiamenti che derivano dalla sostituzione dello stronzio con il calcio. Dai dati sperimentali è possibile trovare la conduttività ottica dei campioni, calcolandola attraverso le relazioni di Kramers-Kronig e utilizzando un modello di Drude-Lorentz per la funzione dielettrica. La conduttività ottica permette infatti di approfondire la conoscenza dei fononi nel materiale, in particolare del modo ferroelettrico. Dal peso spettrale è possible estrarre anche altre informazioni microscopiche come la massa efficace degli elettroni nel caso di campioni metallici.

Phonons in a ferroelectric superconductor : optical spectroscopy on CaxSr1-xTiO3-d

BARANTANI, FRANCESCO
2017/2018

Abstract

Strontium titanate SrTiO_3 is a quantum paraelectric insulator. A ferroelectric order can be stabilized by chemical or isotopic substitution. Moreover, upon electron doping, the material can also be turned into a metal, which become superconducting at temperatures around 300 mK. So far, the superconducting pairing mechanism remains unknown. In 2017, the coexistence of a ferroelectric and superconducting phase was discovered in CaxSr1-xTiO3-d, accompanied by an enhancement of the critical temperature with respect to the non-ferroelectric SrTiO3. The aim of this work is to improve the knowledge of the phonons in this material in order to help to find new perspectives for the pairing mechanism. In this work, FTIR spectroscopy measurements on SrTiO3 and CaxSr1-xTiO3-d will be presented. Their temperature dependence will be analysed and changes arising upon Ca substitution will be discussed. From the experimental data, the optical conductivity of the samples will be computed using a Drude-Lorentz model for the dielectric function and Kramers-Kronig relations. This quantity gives new information on the phonons of this material and also microscopic information such as the effective mass of the free carriers in the metallic samples.
RISCHAU, CARL WILLEM
VAN DER MAREL, DIRK
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-ott-2018
2017/2018
Il titanato di stronzio (SrTiO3) è un materiale isolante (con un gap di 3.22 eV), appartenente al gruppo delle perovskiti, che mostra un comportamento paraelettrico quantistico. Nel titanato di stronzio è possibile stabilizzare la fase ferroelettrica con sostituzione chimica (Sr con Ca) o isotopica (di ossigeno). In caso di drogaggio di tipo elettronico, il materiale diventa metallico e mostra uno stato superconduttore al di sotto di circa 300 mK. Il meccanismo che dà origine alla superconduttività nel titanato di stronzio rimane ignoto, nonostante nel materiale essa sia nota già dagli anni '60. Nel 2017 è stata scoperta la coesistenza della fase ferroelettrica e superconduttiva nel CaxSr1-xTiO3-d, la cui temperatura critica è maggiore rispetto a quella del titanato di stronzio; tale fenomeno può esser spiegato utilizzando una teoria critica quantistica, in cui il fonone ferroelettrico riveste un ruolo chiave. L’obiettivo del presente lavoro è di migliorare la conoscenza dei fononi nel CaSr1-xTiO3-d, in modo da poter discutere lo scenario quanto-critico e favorire la ricerca di un meccanismo di superconduttività nel titanato di stronzio. In questo progetto vengono presentate le misure di spettroscopia infrarosse e Raman sui campioni di SrTiO3 e CaxSr1-xTiO3-d. Inoltre è analizzata la loro dipendenza rispetto alla temperatura e sono discussi i cambiamenti che derivano dalla sostituzione dello stronzio con il calcio. Dai dati sperimentali è possibile trovare la conduttività ottica dei campioni, calcolandola attraverso le relazioni di Kramers-Kronig e utilizzando un modello di Drude-Lorentz per la funzione dielettrica. La conduttività ottica permette infatti di approfondire la conoscenza dei fononi nel materiale, in particolare del modo ferroelettrico. Dal peso spettrale è possible estrarre anche altre informazioni microscopiche come la massa efficace degli elettroni nel caso di campioni metallici.
Tesi di laurea Magistrale
File allegati
File Dimensione Formato  
MSc_thesis.pdf

accessibile in internet per tutti

Descrizione: Thesis
Dimensione 15.55 MB
Formato Adobe PDF
15.55 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/142725