[論文レビュー] Absence of phonon-mediated superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Zhenfeng Ouyang, Miao Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2024

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論とワンニエール補間を用いて、圧力下のLa₃Ni₂O₇における電子-格子波動結合を調査した。得られた電子-格子波動結合パラメータλ = 0.14は非常に弱く、観測された約80 Kの超伝導転移を説明できない。結果から、この材料における超伝導は常識的でなく、電子相関の強さによって駆動されている可能性が高いことが示された。

ABSTRACT

A recent experimental study announced the emergence of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, with the highest observed superconducting transition temperature ($T_c$) reaching approximately 80 K beyond 14 GPa. While extensive studies have been devoted to the electronic correlations and potential superconducting pairing mechanisms, there lack investigations into the phonon properties and electron phonon coupling. Using density functional theory in conjunction with Wannier interpolation techniques, we study the phonon properties and electron phonon interactions in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under 29.5 GPa. Our findings reveal that the electron phonon coupling is insufficient to solely explain the observed high superconducting $T_c$ $\sim$ 80 K in La$_3$Ni$_2$O$_7$. And the calculated strong Fermi surface nesting may explain the experimental observed charge density wave transition in La$_3$Ni$_2$O$_7$. Our calculations substantiate La$_3$Ni$_2$O$_7$ is an unconventional superconductor.

研究の動機と目的

• 圧力下のLa₃Ni₂O₇で観測された高Tc超伝導における電子-格子波動結合の役割を調査すること。
• この材料における報告されたTc ≈ 80 Kを格子波動媒長ペアリングが説明可能かどうかを特定すること。
• フェルミ面のネスティングが電荷密度波（CDW）形成および電子-格子波動結合に与える影響を検討すること。
• 密度汎関数微小変動理論を用いて、29.5 GPaにおけるLa₃Ni₂O₇の動的安定性および格子波動関数を評価すること。
• 格子波動媒長ペアリングを除外することで、ニッケレートペロブスカイトにおける非摂動的超伝導のメカニズムを明確化すること。

提案手法

• 電子構造計算に一般化勾配近似（GGA-PBE）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• フェルミ面および電子-格子波動結合解析のため、正確なタイトバインディングモデルを構築するためにワンニエール補間技術を適用した。
• 格子波動分散および動的安定性を計算するために、密度汎関数微小変動理論（DFPT）を用いた。
• エリアシベルスペクトル関数α²F(ω)およびMcMillan-Allen-Dynesの公式を用いて電子-格子波動結合強度λを計算した。
• ネスティング関数ξ(q)を用いてフェルミ面ネスティングを評価し、強いネスティング特性を示す波数ベクトルを同定した。
• 運動量分解された電子-格子波動結合λq,vをマッピングし、ネスティングベクトルと相関させて強化メカニズムを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-格子波動結合のみで、圧力下のLa₃Ni₂O₇における高いTc ≈ 80 Kの超伝導を説明できるか？
• RQ2 29.5 GPa圧力下のLa₃Ni₂O₇における電子-格子波動結合の強さと空間的分布は何か？
• RQ3 フェルミ面ネスティングは、観測された電荷密度波（CDW）転移にどの程度寄与しているか？
• RQ4 La₃Ni₂O₇における電子-格子波動結合は、BCS型超伝導を媒介するのに十分か？
• RQ5 格子波動モードと電子構造が、この系における超伝導ペアリングにどのように相互作用しているか？

主な発見

• 電子-格子波動結合パラメータλは0.14と計算され、非常に弱い結合強度であることが示された。
• μ* = 0.1としてMcMillan-Allen-Dynesの公式を用いた場合、電子-格子波動結合に基づく予測Tcは0 Kとなり、格子波動媒長ペアリングは除外された。
• 虚数の格子波動モードは検出されず、29.5 GPa圧力下でもLa₃Ni₂O₇が動的安定であることが確認された。
• 特にΓ–Z経路および面内方向に強いフェルミ面ネスティングが観察され、有限の電子-格子波動結合が観測された位置と一致した。
• ネスティングベクトルξ(q)は、非ゼロのλq,vを持つq点と一致しており、ネスティングが弱い結合強化を引き起こしていることが示唆された。
• 結果から、La₃Ni₂O₇における超伝導は非摂動的であり、電子-格子波動結合ではなく、強い電子相関によって駆動されている可能性が高いことが支持された。