[論文レビュー] High-temperature superconductivity induced by the Su-Schrieffer-Heeger electron-phonon coupling

Xun Cai, Zi-Xiang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、数値的に正確な量子モンテカルロ（QMC）シミュレーションを通じて、Su-Schrieffer-Heeger（SSH）電子-格子結合が、従来のHolsteinモデルよりも顕著に高い超伝導転移温度（$T_c$）を誘導することを示している。主な要因は、対のホッピングを強化し、コープァー対の位相整合性を高めるプロセスである。SSHモデルは最適結合条件下で$T_c \approx 0.1$（$t=1$の単位）を達成し、同様の条件下でHolsteinモデルの$T_c < 0.01$を10倍以上上回る。特に反アディアバティック極限（$\omega_D \to \infty$）では、$T_c$は結合強度とともに無限に増加する。

ABSTRACT

Experimental quest for high-temperature and room-temperature superconductivity (SC) at ambient pressure has been a long-standing research theme in physics. It has also been desired to construct reliable microscopic mechanisms that may achieve high-temperature SC. Here we systematically explore SC in the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) electron-phonon coupling models by performing numerically-exact quantum Monte-Carlo simulations. Our results reliably showed that superconducting $T_c$ of the SSH models is high, remarkably higher than those in the Holstein models, particularly in strong electron-phonon coupling regime. This is mainly because SSH phonons can not only induce strong pairing between electrons but also help the phase coherence of Cooper pairs, thus realizing higher $T_c$. As mechanism of higher-$T_c$ of the SSH models could be potentially relevant to realistic materials, it paves a promising way to find higher-temperature SC in the future.

研究の動機と目的

• 2次元系におけるSu-Schrieffer-Heeger（SSH）電子-格子結合が高臨界温度超伝導を支えるかどうかを調査すること。
• 同一条件下で、数値的に正確な手法を用いてSSHモデルとHolsteinモデルの超伝導転移温度（$T_c$）を比較すること。
• SSHモデルにおける$T_c$の増大に寄与する微視的メカニズムを特定すること、特に対ホッピングと位相整合性の役割を特定すること。
• SSHメカニズムが、強い電子-格子結合を示す現実の材料にどのように関連するかを評価すること。

提案手法

• ドーピングされた正方形格子SSHモデルに対して、大規模で数値的に正確な量子モンテカルロ（QMC）シミュレーションを実施し、$T_c$を高精度で計算した。
• 有限ドーピングおよび低温条件下でシミュレーションを実施し、有限サイズ効果が最小限に抑えるように十分に大きな格子サイズを用いた。
• SSHモデルでは符号問題が存在しないため、電子-格子結合強度（$\lambda$）および格子振動周波数（$\omega_D$）の広い範囲で信頼性の高いシミュレーションが可能であった。
• $T_c$は、2次元超伝導体におけるBerezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）理論に整合するスケーリング挙動から抽出した。
• 結合タイプの影響を明確に分離するために、同一パラメータ設定下でドーピングされたHolsteinモデルのQMCシミュレーションと直接比較した。
• 反アディアバティック極限（$\omega_D \to \infty$）を分析し、インスタントニウス的相互作用領域における$T_c$の挙動を理解した。

Figure 1: (a) Quantum phase diagram of the SSH model at half-filling obtained by three of us in Ref. [ 58 ] . Here $\omega_{D}$ and $\lambda$ are phonon frequency and EPC strength, respectively. (b) Superconducting $T_{c}$ as the function of EPC strength $\lambda$ in SSH model for fixed phonon frequ

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元系において、Su-Schrieffer-Heeger（SSH）電子-格子結合は、Holsteinモデルよりも高い超伝導転移温度を支持できるか？
• RQ2 SSH格子振動によって誘発される対ホッピングプロセスは、コープァー対の位相整合性と$T_c$をどのように向上させるか？
• RQ3 SSHモデルにおける$T_c$は、電子-格子結合強度（$\lambda$）および格子振動周波数（$\omega_D$）にどのように依存するか、特に量子臨界点近傍での挙動は？
• RQ4 特に強い結合および反アディアバティック領域において、なぜSSHモデルの$T_c$がHolsteinモデルよりも顕著に高いのか？

主な発見

• 最適結合強度$\lambda \approx 1.0$および格子振動周波数$\omega_D = 1.5$におけるSSHモデルは、$T_c \approx 0.1$（$t=1$の単位）を示し、同様の条件下でHolsteinモデルの$T_c < 0.01$を10倍以上上回る。
• SSHモデルにおける$T_c$は$\lambda$に対してドーム型の依存性を示し、半フィルイン状態における反強磁性（AFM）相とバリエンス・ボンド・ソリッド（VBS）相の境界に位置する量子臨界点付近でピークを示す。
• 反アディアバティック極限（$\omega_D \to \infty$）では、SSHモデルの$T_c$は$\lambda$の増加に伴い無限に増加するが、Holsteinモデルでは重いバイポラロン形成によって$T_c$が抑制される。
• SSHモデルにおける$T_c$の増大は、格子振動によって誘発される強い有効的対ホッピングプロセスに起因する。これにより、位相整合性を破壊する重いバイポラロンの形成が抑制され、コープァー対の位相整合性が促進される。
• 異なる格子振動周波数およびドーピングレベルにおいても結果は安定しており、$T_c$はAFM-VBS相境界でピークを示す。これは、最適超伝導性が量子臨界性に起因することを示唆している。
• 本研究は、例えば銅酸化物に見られる$B_{1g}$型結合を示すような結合型電子-格子結合が、量子材料における高$T_c$超伝導への有望な道筋を提供することを示している。

Figure 2: QMC results of superconductivity in the anti-adiabatic (AA) limit ( $\omega_{D}=\infty$ ). (a) The superfluid stiffness $\rho_{s}$ as a function of $T$ for $\lambda=1.6$ and $\delta=0.15$ . Lattice system size ranges from $L=6$ to $L=12$ . The dashed line $2T/\pi$ is used to extract $T_{c}