論文の概要: Observation of a phase transition in KTaO$_3$ induced by residual niobium impurities
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.16093v1
- Date: Mon, 21 Jul 2025 22:26:57 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-23 21:34:13.903557
- Title: Observation of a phase transition in KTaO$_3$ induced by residual niobium impurities
- Title（参考訳）: 残留ニオブ不純物によるKTaO$_3$の相転移の観察
- Authors: Zijun C. Zhao, Jeremy F. Bourhill, Maxim Goryachev, Aleksey Sadekov, Michael E. Tobar,
- Abstract要約: 我々はKTaO$_3$結晶の相転移の観察を報告した。
不純物分析では、結晶中のニオブ(Nb)の顕著な濃度が明らかになった。
このことは、観測された相転移が残留Nb不純物によって駆動され、それ以外はパラ誘電体ホストの強誘電性を引き起こすことを示唆している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We report the observation of a phase transition in a KTaO$_3$ crystal, corresponding to a paraelectric-to-ferroelectric transition. The crystal was placed inside a copper cavity to form a dielectric-loaded microwave cavity, and the transition was observed to occur near 134 K. As the cavity was cooled, the frequencies of both transverse electric and transverse magnetic resonant modes decreased (corresponding to an increase in permittivity). The mode frequencies converge at the transition temperature (near 134 K) and, below this point, reverse their tuning direction, increasing their frequency with decreasing temperature. This behaviour corresponds to a decrease in dielectric permittivity and is atypical for pure KTaO$_3$. To investigate further, we conducted impurity analysis using Laser Ablation inductively coupled mass spectrometry (LA-ICPMS), revealing a significant concentration ($\sim$ 7\%) of niobium (Nb) in the crystal. This suggests that the observed phase transition is driven by residual Nb impurities, which induce ferroelectricity in an otherwise paraelectric host. Similar crystals with a lower concentration ($<$ 2\%) did not undergo a phase transition but exhibited a loss peak at this temperature. These findings have practical implications for the design of tunable devices, for example, resonator-based dark matter detectors, where low-loss material phase stability and tunability are crucial.
- Abstract（参考訳）: 我々はKTaO$_3$結晶の相転移の観察を報告した。
結晶は銅空洞内に置かれ、誘電体を装填したマイクロ波空洞を形成し、遷移は134K付近で観測され、空洞が冷却されると、横方向電気共鳴モードと横方向磁気共鳴モードの周波数は減少する(誘電率の増加に対応する)。
モード周波数は遷移温度(約134K)で収束し、この点以下はチューニング方向を反転させ、温度の低下とともに周波数を上昇させる。
この挙動は誘電率の低下に対応し、純粋なKTaO$_3$に対して非定型である。
さらに, レーザーアブレーション誘導結合質量分析法 (LA-ICPMS) を用いて不純物分析を行い, 結晶中のニオブ (Nb) の顕著な濃度 (\sim$ 7\%) を明らかにした。
このことは、観測された相転移が残留Nb不純物によって駆動され、それ以外はパラ誘電体ホストの強誘電性を引き起こすことを示唆している。
濃度が低い類似結晶 (<$2\%) は相転移を起こさず, この温度で損失ピークを示した。
これらの知見は、低損失物質相安定性とチューナビリティが不可欠である共振器ベースのダークマター検出器など、チューナブルデバイスの設計に実用的な意味を持つ。
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