[論文レビュー] Debye temperature, electron-phonon coupling constant, and three-dome shape of crystalline strain as a function of pressure in highly compressed La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$

E. F. Talantsev, V. V. Chistyakov|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

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

ひとこと要約

本研究は、高圧下のLa₃Ni₂O₇₋δにおける電子-フォノン結合および圧力依存性微結晶ひずみを調査し、ひずみに三重ドーム型の形状が観察され、22.4 GPaでλₑ₋ₚₕ = 1.75の強い結合型超伝導体であることを明らかにした。25 GPaでデバイ温度は550 Kに達し、超伝導性の電子-フォノン機構を支持するとともに、ひずみの異常と相転移を関連づけた。

ABSTRACT

Besides ongoing studies of phase structural transitions, pairing mechanism, and physical properties of recently discovered highly compressed high-temperature superconductor La3Ni2O7-δ, here we explored a possibility for the electron-phonon pairing mechanism as an origin of the superconducting state and determined the microcrystalline strain, ε, in high-pressure Fmmm-phase, and low-pressure Amam-phase of this nickelate. To do this, we analysed temperature dependent resistance and extracted pressure dependent Debye temperature, ΘD (P), in La3Ni2O7-δ with an approximate value of ΘD(25 GPa) = 550 K. From this we established that the La3Ni2O7-δ is strong-coupled superconductor with the electron-phonon coupling constant λe-ph(P = 22.4 GPa) =1.75. This value is close to λe-ph =1.70 of ambient pressure superconductors Nb3R (R = Sn, Al). To address ongoing discussion that the lattice strain can be the origin for the emergence of high-temperature superconductivity in the La3Ni2O7-δ, we determined the microcrystalline strain, 0.011≤ ε(P), in the high-pressure Fmmm-phase, and ε(P) < 0.011 of low-pressure Amam-phase. Our analysis showed that ε(P) has three-dome shape in the pressure range of 1.6 GPa ≤ P ≤ 41.2 GPa. One of these two ε(P) deeps at P =15 GPa coincides with the pressure at which the Amam into the Fmmm phase transition occurs. Based on our analysis, we proposed probable condition to observe the zero-resistance state in La3Ni2O7-δ.

研究の動機と目的

• 高圧下のLa₃Ni₂O₇₋δにおける超伝導性の原因としての電子-フォノン対称性機構を調査すること。
• 低圧相（Ammm）および高圧相（Fmmm）における圧力依存性微結晶ひずみε(P)を特定すること。
• ニッケル酸化物系におけるひずみの異常と構造的相転移の関係を分析すること。
• この系において零抵抗超伝導が出現するための条件を確立すること。

提案手法

• 温度依存性抵抗測定を解析し、圧力依存性デバイ温度ΘD(P)を抽出した。
• 強結合超伝導理論における既知の関係式を用いて、ΘD(P)から電子-フォノン結合定数λₑ₋ₚₕを計算した。
• 抵抗率データから微結晶ひずみε(P)を抽出し、理想的な格子挙動からのずれに注目した。
• 1.6–41.2 GPaの圧力範囲でひずみプロファイルε(P)を分析し、構造的および電子的異常を特定した。
• ひずみ挙動を既知の構造的相境界と比較することで、相転移点を同定した。
• ε(P)に三重ドーム型の形状が存在することを特定し、15 GPa付近のAmm2からFmmm相への相転移と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下のLa₃Ni₂O₇₋δにおけるデバイ温度の圧力依存性は何か？ これは電子-フォノン結合に何を示唆するか？
• RQ2 微結晶ひずみε(P)は圧力にどのように依存するか？ また、構造的不安定性を示す非単調な挙動を示すか？
• RQ3 電子-フォノン結合定数λₑ₋ₚₕは、この系におけるフォノン媒介超伝導機構を支えるのに十分に大きいと見なせるか？
• RQ4 ε(P)に観察される三重ドーム型の形状は、約15 GPaにおけるAmm2からFmmm相への相転移と相関しているか？
• RQ5 ひずみおよび結合パラメータに基づくと、La₃Ni₂O₇₋δにおいて零抵抗超伝導が出現するための条件は何か？

主な発見

• デバイ温度ΘD(P)は25 GPaで550 Kに達し、高圧下での剛性格子を示唆している。
• 22.4 GPaで電子-フォノン結合定数λₑ₋ₚₕは1.75に達し、La₃Ni₂O₇₋δが強結合型超伝導体に分類され、Nb₃R（R = Sn, Al）超伝導体と同等の強さであることが示された。
• 1.6–41.2 GPaの圧力範囲で微結晶ひずみε(P)は三重ドーム型の形状を示し、P ≈ 15 GPaに最小値が存在し、Amm2からFmmm相への相転移と一致した。
• 高圧相のFmmm相ではひずみが0.011未満を維持している一方、低圧相でもε(P) < 0.011であり、中程度の格子歪みが生じていることが示された。
• 三重ドーム型のひずみプロファイルは、電子的不安定性および相転移と関連する複雑な格子力学を示唆している。
• 本研究では、高いλₑ₋ₚₕと特定のひずみ特徴の共存が、この系における零抵抗超伝導の観測に不可欠な条件であると提唱した。