[論文レビュー] Debye temperature in LaHx-LaDy superconductors

Talantsev, E. F.|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Iron-based superconductors research被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、Bloch-Grüneisen方程式を用いて、高圧下のLaHx-LaDy超伝導体の温度依存抵抗データからDebye温度（Tθ）を導出し、電子-フォノン結合メカニズムを比 Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2 によって検証する。第一原理計算による予測値と実験的Tθ比の顕著な不一致は、常温に近い超伝導体における電子-フォノンメカニズムの妥当性を疑問視するものである。

ABSTRACT

The Debye temperature, T${_ heta}$=(h/2${\pi}$)/k${_B}$$\omega$$_ heta$, where the Debye frequency $\omega$$_ heta$ is integrated characteristic frequency of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$). In the BCS theory, T${_ heta}$ in conjunction with electron-phonon coupling strength parameter, $\lambda$$_{e-ph}$, determines the superconducting transition temperature, Tc. Despite a fact that more accurate theory of electron-phonon mediated superconductivity requires the knowledge of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$), which can be very accurately computed by first principles calculation technique, there is no experimental technique which can measure $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$) in highly-compressed near-room-temperature (NRT) superconductors. Thus, $\omega$$_ heta$ remains to be the only measurable parameter of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$), which can be deduced by the fit of experimental temperature-dependent resistance data, R(T), to Bloch-Gr\"uneisen equation. Taking in account that within electron-phonon mediated theory of superconductivity two isotopic counterparts (or, in case of NRT superconductors, the same superconducting phase at different pressures), designated by subscripts of 1 and 2, should be obey the relation of T${_ heta}_1$/T${_ heta}_2$=T${_c}_1$/T${_c}_2$, there is a way to reaffirm/disprove the electron-phonon mechanism of NRT superconductivity. In this paper, we perform the analysis for R3m-phase of H3S at different pressure, as well as for several superconductors in LaHx-LaDy system and show that there is a large disagreement between experimental data and T${_ heta}_1$/T${_ heta}_2$=T${_c}_1$/T${_c}_2$. Taking in account that similar disagreement has recently reported in H3S-D3S system, it can be concluded that primary origin for NRT superconductivity remains to be discovered.

研究の動機と目的

• 高圧下のLaHx-LaDy超伝導体の抵抗データから、実験的にDebye温度（Tθ）を決定すること。
• 同位体対（例：LaHx と LaDy）に対して理論的関係 Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2 を検証することで、電子-フォノン結合メカニズムをテストすること。
• 近接常温超伝導体におけるAllen-DynesおよびBCSに基づく電子-フォノン結合フレームワークの妥当性に疑問を呈すること。
• 第一原理計算と実験的Tθ値の不一致を特定し、非フォノン媒介ペアリングの可能性を示唆すること。

提案手法

• 実験的温度依存抵抗（R(T)）データをBloch-Grüneisen方程式にフィットさせ、Tθを抽出する。
• 同位体対に対して Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2 の関係を適用し、電子-フォノン結合を検証する。
• Tc = 0.05、0.25、または変曲点を基準として、正規化抵抗 R(T)/Rnorm(T) を用いてTcを定義する。
• 実験的TθおよびTcから導かれたλe-phを、Erreaら[34]による第一原理計算によるλe-ph値と比較する。
• 圧力（130–180 GPa）およびレーザーアニーリング工程の異なる複数のサンプルを用いて一貫性を評価する。
• μ* = 0.10 を仮定し、f2*近似を用いたAllen-Dynes形式を適用して、λe-ph,aMcMを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同位体超伝導体LaHxとLaDy間の実験的Tθ比が、電子-フォノン理論が予測するように Tθ1/Tθ2 = Tc1/Tc2 を満たすか？
• RQ2 抵抗データから導かれた電子-フォノン結合強さ（λe-ph）は、第一原理計算の結果と整合するか？
• RQ3 なぜ第一原理計算はLaHx-LaDy系において実験的推定値よりも高いλe-phを予測するのか？
• RQ4 実験的および理論的λe-phの不一致は、高Tc水素化物におけるペアリングメカニズムにどのような意味を持つのか？
• RQ5 次元的な周波数に依存する ln(ω) に依存するAllen-Dynes理論における対数的フォノン周波数 ωln は物理的に妥当か？

主な発見

• LaHx（サンプル10、P = 178 GPa）では、Tθ = 721 ± 2 K、Tc = 92 K であり、λe-ph,aMcM = 1.82 ± 0.01 であった。一方、第一原理計算では λe-ph = 2.06–2.76 であった。
• LaHx（サンプル10、パネルb）では、Tθ = 941 ± 9 K、Tc = 107 K、λe-ph,aMcM = 1.62 ± 0.01 であったが、第一原理計算値は 2.06–2.76 であった。
• LaD11（サンプル8、P = 142 GPa）では、Tθ = 1199 ± 14 K、Tc = 125 K であり、λe-ph,aMcM = 1.49 ± 0.02 であった。一方、第一原理計算では λe-ph = 3.14 であった。
• Tc1/Tc2 = 125 K / 107 K = 1.17 であるが、Tθ1/Tθ2 = 1199 K / 941 K = 1.27 であり、電子-フォノン理論の予測と一致しない。
• LaH10（サンプル3、Tc = 240 K）では、実験的および第一原理計算のλe-ph値が一致するが、これは例外的である。
• 本研究は、大多数のLaHx-LaDy系において電子-フォノンメカニズムが実験データと整合しないと結論づけ、近接常温超伝導の背後には代替的ペアリングメカニズムが存在する可能性を示唆する。