[論文レビュー] A comprehensive first principles calculations on (Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3 single-cubic-perovskite superconductor

Mirza H. K. Rubel, S.K. Mitro+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、(Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3（BKBPO）ペロブスカイト超伝導体の電子的・弾性的・超伝導的性質を調査した。高い電子-フォノン結合定数（λ = 1.46）、フェルミ準位付近に集中する強い軌道混合、多バンドフェルミ面、顕著な異方性が明らかとなり、BKBPOが強い結合性・多バンド性を示し、高臨界温度（Tc）超伝導の可能性を有するものであることが示された。

ABSTRACT

In this present study, the pseudopotential plane-wave (PP-PW) pathway in the scheme of density functional theory (DFT) is utilized to investigate the various physical properties on (Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3 (BKBPO) single perovskite superconductor. We have analyzed elastic constants and moduli at zero and elevated pressures (up to 25 GPa) as well. We also have investigated the anisotropic nature incorporating both the theoretical indices and graphical representations in 2D and 3D dimensions, which reveals a high level of anisotropy. The flatness of the energy bands near EF is a sign of Van-Hf singularity that might increase the electron pairing and origination of high-TC superconductivity. The computed band structure exhibits its metallic characteristics is confirmed by band overlapping. A band of DOS is formed for the strong hybridization of the constituent elements. The orbital electrons of O-2p contribute most dominantly at EF in contrast to all orbital electrons. The orbital electrons at the EF are higher from both the partial density of states and charge density mapping investigation. The coexistence of the electron and hole-like Fermi sheets exhibits the multi-band nature of BKBPO. On the other hand, Fermi surfaces with flat faces promote transport features and Fermi surface nesting as well. The calculated value of the electron-phonon coupling constant (λ = 1.46) is slightly lower than the isostructural superconductor, which indicates that the studied BKBPO can be treated as a strongly coupled superconductor similar to the reported isostructural perovskite superconductors. Furthermore, the thermodynamic properties have been evaluated and analyzed at elevated temperature and pressure by using harmonic Debye approximation (QHDA).

研究の動機と目的

• 第一原理的手法を用いて、(Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3（BKBPO）単斜晶ペロブスカイト超伝導体の電子的および超伝導的性質を調査すること。
• 零圧および高圧（最大25 GPa）下でのBKBPOの弾性挙動と機械的安定性を分析すること。
• 理論的インデックスおよび2次元／3次元の図的表現を用いて、BKBPOの異方的性質を調査すること。
• 電子構造、フェルミ面トポロジー、フェルミ準位近傍の軌道寄与を検討することで、高Tc超伝導の起源を特定すること。
• 調和デバイ近似（QHDA）を用いて、高温・高圧下での熱力学的性質を評価すること。

提案手法

• 電子構造計算には、密度汎関数理論（DFT）の枠組み内で擬ポテンシャル平面波（PP-PW）法を採用した。
• 機械的安定性および異方性の評価のため、零圧および最大25 GPaまでの弾性定数および弾性率を計算した。
• 多バンド性およびネスティング特徴の調査のため、フェルミ面トポロジーおよびバンド構造解析を実施した。
• 主要な軌道寄与を特定するため、部分密度状態（PDOS）および電子密度マップを計算した。
• 超伝導ペアリング強度を評価するため、電子-フォノン結合定数（λ）を計算した。
• 高温・高圧下での熱力学的性質の評価のため、調和デバイ近似（QHDA）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BKBPOの電子構造およびフェルミ面トポロジーは何か。これらは多バンド超伝導をどのように支持するか。
• RQ2 BKBPOにおける電子-フォノン結合定数（λ）は、類似構造のペロブスカイト超伝導体と比較してどうなるか。これは超伝導ペアリングに何を示唆するか。
• RQ3 BKBPOの機械的および電子的性質における異方性はどの程度強く、これが超伝導挙動にどのように影響するか。
• RQ4 BKBPOにおいて、フェルミ準位における電子状態に最も顕著に寄与する原子軌道はどれか。
• RQ5 BKBPOの熱力学的性質は、高温・高圧下でどのように変化するか。

主な発見

• 電子-フォノン結合定数 λ = 1.46 は、BKBPOが他の類似構造のペロブスカイト超伝導体と同様に強い結合性超伝導体であることを示している。
• バンド構造は、バンドの重なりによって金属的性質を示し、フェルミ準位付近の平坦なバンドは、電子ペアリングを強化する可能性のあるヴァン・ホーフィング特異点を示唆している。
• フェルミ準位における電子状態はO-2p軌道が支配的であり、構成要素間の顕著な混合が密度状態における明確なバンドを形成している。
• 電子的およびホール的フェルミ面シートの共存は、BKBPOの多バンド性を確認しており、平坦なフェルミ面面はネスティングおよび輸送特性を促進する。
• 理論的インデックスおよび2次元／3次元の図的表現から、BKBPOの弾性的および電子的応答における顕著な異方性が明らかになった。
• 調和デバイ近似を用いて、高温・高圧下での熱力学的性質が成功裏に評価され、極限条件下でも安定であることが支持された。