[論文レビュー] Ambient pressure high temperature superconductivity in RbPH$_3$ facilitated by ionic anharmonicity

Đorđe Dangić, Yue‐Wen Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2024

Theoretical and Computational Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、イオン的量子非調和性が超伝導相を安定化させるため、RbPH₃において大気圧下で臨界温度約100 Kの高温超伝導を予測している。密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理計算と確率的自己無撞着調和近似（SSCHA）を用いて、量子揺らぎが調和的不安定性を克服し、大気圧まで動的に安定なR3mペロブスカイト相を安定化させることを示している。強い電子-格子波動結合に起因する高Tc超伝導が実現可能である。

ABSTRACT

Recent predictions of metastable high-temperature hydride superconductors give hope that superconductivity at ambient conditions is within reach. In this work, we predict RbPH$_3$ as a new compound with a superconducting critical temperature around 100 K at ambient pressure, dynamically stabilized thanks to ionic quantum anharmonic effects. RbPH$_3$ is thermodynamically stable at 30 GPa in a perovskite $Pm\bar{3}m$ phase, allowing its experimental synthesis at moderate pressures far from the megabar regime. With lowering pressure it is expected to transform to a $R3m$ phase that should stay dynamically stable thanks to quantum fluctuations down to ambient pressures. Both phases are metallic, with the $R3m$ phase having three distinct Fermi surfaces, composed mostly of states with phosphorus and hydrogen character. The structures are held together by strong P-H covalent bonds, resembling the pattern observed in the high-temperature superconducting H$_3$S, with extra electrons donated by rubidium. These results demonstrate that quantum ionic fluctuations, neglected thus far in high-throughput calculations, can stabilize at ambient pressure hydride superconductors with a high critical temperature.

研究の動機と目的

• 動的および熱力学的に安定な大気圧下の水素化物超伝導体を同定すること。
• 低圧下で高Tc超伝導相を安定化させるイオン的量子非調和性の役割を調査すること。
• 非調和性を無視する標準的なスクリーニング手法が、実現可能な超伝導候補を見逃す可能性があることを示すこと。
• 大気圧下で臨界温度が約100 Kの新規超伝導化合物RbPH₃を予測すること。
• 調和近似では動的不安定性を示すが、量子揺らぎが超伝導相を安定化させ得ることを示すこと。

提案手法

• 電子構造計算にPBE汎関数およびDFT+U補正を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 自由エネルギーの地形にイオン的量子揺らぎと非調和的効果を組み込むために、確率的自己無撞着調和近似（SSCHA）を適用した。
• ALM法を用いたフォノン計算および電子-格子波動結合解析により、Eliashbergスペクトル関数α²F(ω)と結合定数λを計算した。
• 非局所的クーロン相互作用をスクリーニングされた相互作用W(ε,ε')および再正規化されたクーロンパラメータμ*を用いて、フルMigdal-Eliashberg形式でTcを計算した。
• さまざまな圧力におけるRb-P-H相図における凸包構築法を用いて熱力学的安定性分析を実施した。
• ランダム位相近似（RPA）でクーロン相互作用W(ε,ε')を計算し、高カットオフエネルギーωc = 19.7 eVを用いたMorel-Anderson式によりμ* = 0.26を導出した。

Figure 1: (a) Ternary phase diagram for the Rb-P-H system neglecting the zero-point energy at 25 GPa. Stoichiometries on the convex hull are represented with red circles. RbPH 3 is denoted by the star. The color scheme of the background denotes the enthalpy from the convex hull. (b) Continuous lines

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン的量子非調和性は、大気圧下の水素化物において高Tc超伝導相を安定化させ得るか？
• RQ2 非調和的効果を考慮した場合、RbPH₃は大気条件下で動的に安定か？
• RQ3 RbPH₃のR3m相における0 GPaでの臨界温度は何か？また、調和近似と比較するとどうなるか？
• RQ4 電子-格子波動結合およびクーロン相互作用は、RbPH₃のTcにどのように影響を与えるか？
• RQ5 ハイ・スループットスクリーニングに非調和的効果を組み込むことで、従来見逃されていた新たな大気圧超伝導体を同定できるか？

主な発見

• 調和近似では鞍点とされるが、イオン的量子非調和性のおかげで、RbPH₃のR3m相は大気圧下で動的に安定である。
• フルMigdal-Eliashbergアプローチを用い、μ* = 0.26とした場合、RbPH₃は0 GPaで101 Kの超伝導臨界温度を示す。
• 電子-格子波動結合定数λは、共有結合的P-HネットワークとR3m相の金属的性質のおかげで強化されている。
• ハイドライドに特有の高いデバイ周波数のため、クーロン相互作用パラメータμ*は0.26と高く推定された。
• R3m相にはPおよびHの性質が支配的な3つの異なるフェルミ面が存在し、強い電子-格子波動結合を支持している。
• RbPH₃は30 GPaではPm3̄mペロブスカイト相として熱力学的に安定であり、圧力低下に伴いR3m相に変化するが、そのR3m相は量子揺らぎによって安定化されている。

Figure 2: Structure of (a) the $R3m$ phase at 0 GPa and (b) the $Pm\bar{3}m$ phase at 30 GPa of RbPH 3 . The contours show the electronic localization function (ELF) at the value of 0.8. The visualization of the structure and the ELF is done using VESTA [ 41 ] .