[論文レビュー] Elemental Phosphorus: structural and superconducting phase diagram under pressure

José A. Flores‐Livas, Antonio Sanna+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Iron-based superconductors research参考文献 60被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、170 GPaまでの高圧抵抗率実験と350 GPaまでの完全なab initio計算を組み合わせることで、圧力下における元素的リンの超伝導相図における長年の曖昧さを解消した。2つの異なるT_C傾向の原因は、力学的に不安定な黒リン相に起因しており、これらの不安定相は最大15 KのT_Cを示すことが判明した。これは安定相よりも3倍高い値であり、超伝導性の強化に向けた新たな道筋として、不安定性の利用が有効であることを示している。

ABSTRACT

Pressure-induced superconductivity and structural phase transitions in phosphorous (P) are studied by resistivity measurements under pressures up to 170 GPa and fully $ab-initio$ crystal structure and superconductivity calculations up to 350 GPa. Two distinct superconducting transition temperature (T$_{c}$) vs. pressure ($P$) trends at low pressure have been reported more than 30 years ago, and for the first time we are able to reproduce them and devise a consistent explanation founded on thermodynamically metastable phases of black-phosphorous. Our experimental and theoretical results form a single, consistent picture which not only provides a clear understanding of elemental P under pressure but also sheds light on the long-standing and unsolved $anomalous$ superconductivity trend. Moreover, at higher pressures we predict a similar scenario of multiple metastable structures which coexist beyond their thermodynamical stability range. Metastable phases of P experimentally accessible at pressures above 240 GPa should exhibit T$_{c}$'s as high as 15 K, i.e. three times larger than the predicted value for the ground-state crystal structure. We observe that all the metastable structures systematically exhibit larger transition temperatures than the ground-state ones, indicating that the exploration of metastable phases represents a promising route to design materials with improved superconducting properties.

研究の動機と目的

• 圧力下における元素的リンの2つの異なる超伝導転移温度（T_C）傾向に関する実験的報告の間にある長年の矛盾を解消すること。
• 熱力学的に不安定な相が高圧下におけるリンの超伝導的挙動をどのように規定しているかを明確にすること。
• 350 GPaまでにまで及ぶ元素的リンにおける構造相、電子・格子波動結合、T_Cを結びつける一貫性のあるab initioフレームワークを確立すること。
• 不安定相が安定相よりも顕著に高いT_Cを示す可能性があることを示し、高T_C超伝導体の設計に新たな道筋を提示すること。

提案手法

• 170 GPaまでのダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた高圧抵抗率測定を実施し、Ti/Au電極を用い、圧力校正にはラマン分光法を用いた。
• 密度汎関数理論（DFT）とSCDFTフレームワークを用いて、完全なab initioの結晶構造予測および電子構造計算を実施した。
• Eliashbergスペクトル関数α²F(ω)を用いて電子・格子波動結合を計算し、ノーマルコンセービング擬ポテンシャルと平面波基底セットを用いたQuantum Espressoコードを用いた。
• 有効クーロン擬似ポテンシャルμ*をAllen-Dynes-McMillan式を用いて推定することで、実験的パrameterフリーの第一原理的T_C計算を実施した。
• 数値収束を確保するため、電子積分には最大3,000 kポイント/単位体積、フォノン積分にはその約1/4の密度を用いたブリユアンゾーンサンプリングを実施した。
• 熱力学的および電子的基準を用いて構造的安定性と相転移を分析し、安定相系列を超えた不安定相を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ圧力下の元素的リンの実験的報告において2つの異なるT_C対圧力傾向が観察されるのか、その原因は何か？
• RQ2 高圧下におけるリンの観察された超伝導転移の真の構造的起源は何か？
• RQ3 黒リンの不安定相は、安定相と比較して超伝導転移温度が向上する寄与を果たしているか？
• RQ4 ab initio計算は、非平衡相においても実験観測値と一致または上回るT_C値を予測できるか？
• RQ5 電子・格子波動結合およびフォノンモードは、不安定リン相における高T_C超伝導性の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• リンの圧力下における2つの実験的T_C傾向は、異なる安定相ではなく、力学的に不安定な黒リン相の存在に起因している。
• 240 GPa以上の圧力でアクセス可能なリンの不安定相は、最大15 KのT_Cを示すと予測され、安定相の予測値約5 Kを著しく上回る。
• すべての不安定相が、それに対応する安定相と比較して高いT_Cを示すため、構造的不安定性に起因する一般化された強化機構が存在することが示された。
• Eliashberg関数によるab initio計算により、不安定相における強い結合性が確認され、λおよびω_logの値が高T_C予測を支持している。
• 本研究は、不安定相が熱力学的に安定ではないものの、実験的にアクセス可能であり、優れた超伝導的性質を示しうることを確立した。
• 実験的T_C傾向とab initio予測の一貫性ある一致により、元素系における異常な超伝導的挙動を説明する上で、不安定性の役割が裏付けられた。