[論文レビュー] Spin-orbit coupling enhanced superconductivity in Bi-rich compounds ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba)

Ding‐Fu Shao, Xi-Wang Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スピン-軌道結合（SOC）がBiを豊富に含む化合物SrBi₃およびBaBi₃における超伝導性を強く強化することを示している。これはフェルミ面のネストを抑制し、フォノンを緩和し、電子-フォノン結合を増大させることによる。SOCを含めた計算では、超伝導転移温度（Tc ≈ 5.29–5.75 K）が単結晶測定からの実験値とよく一致し、従来の非SOC計算がTcを50%以上も低く見積もっていた長年の不一致が解消された。

ABSTRACT

Recently, Bi-based compounds have attracted attentions because of the strong spin-orbit coupling (SOC). In this work, we figured out the role of SOC in ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba) by theoretical investigation of the band structures, phonon properties, and electron-phonon coupling. Without SOC, strong Fermi surface nesting leads to phonon instabilities in ABi$_{3}$. SOC suppresses the nesting and stabilizes the structure. Moreover, without SOC the calculation largely underestimates the superconducting transition temperatures ($T_{c}$), while with SOC the calculated $T_{c}$ are very close to those determined by measurements on single crystal samples. The SOC enhanced superconductivity in ABi$_{3}$ is due to not only the SOC induced phonon softening, but also the SOC related increase of electron-phonon coupling matrix elements. ABi$_{3}$ can be potential platforms to construct heterostructure of superconductor/topological insulator to realize topological superconductivity.

研究の動機と目的

• ABi₃（A = Sr, Ba）化合物における結晶構造の安定化と超伝導性の強化に寄与するスピン-軌道結合（SOC）の役割を調査すること。
• ABi₃における超伝導転移温度（Tc）の理論的予測と実験的測定値の間の長年の不一致を解消すること。
• SOCがこれらのBiを豊富に含む超伝導体におけるフェルミ面ネスト、フォノン不安定性、および電子-フォノン結合に与える影響を検討すること。
• トポロジカル絶縁体とヘテロ構造を組み合わせた工学的手法により、ABi₃がトポロジカル超伝導性を実現するためのプラットフォームとして有効であるかを検討すること。
• 新規に合成された単結晶SrBi₃と高精度な物理的測定を用いて理論的予測を検証すること。

提案手法

• 電子バンド構造の計算に、QUANTUM ESPRESSOパッケージと超ソフトポテンシャルを用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 交換相関相互作用には一般化勾配近似（GGA-PBE）を用い、基底関数の収束には40 Ryの平面波カットオフを設定した。
• 構造的安定性とフォノン緩和の評価のため、スピン-軌道結合あり・なしの両方でフォノン分散を計算した。
• McMillanの式を用いて、SOCあり・なしの両方で電子-フォノン結合行列要素および超伝導転移温度（Tc）を計算した。
• 理論的予測の検証のため、高品質な単結晶SrBi₃を合成し、抵抗率、磁化、比熱測定を実施した。
• 実験データをBCSモデルおよびBloch-Grüneisen-Mott（BGM）モデルにフィットさせ、理論と比較するためのγ、λ、Tcの値を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン-軌道結合は、ABi₃（A = Sr, Ba）化合物におけるフェルミ面ネストおよびフォノン安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜ非SOC DFT計算は、ABi₃における超伝導転移温度（Tc）を顕著に低く見積もっているのか？
• RQ3 これらのBiを豊富に含む超伝導体における電子-フォノン結合およびフォノン緩和に、SOCが果たす寄与は何か？
• RQ4 ヘテロ構造を用いた工学的手法により、ABi₃がトポロジカル超伝導性を実現するための実現可能なプラットフォームと見なせるか？
• RQ5 単結晶SrBi₃における実験的測定結果は、SOCを含む理論的予測とどのように一致するか？

主な発見

• スピン-軌道結合を含まない場合、面中心に位置する電子パッチ間の強いフェルミ面ネストがフォノン不安定性を引き起こし、構造的不安定性を示唆している。
• スピン-軌道結合によりフェルミ面ネストが抑制され、非SOC状態ではフォノンモードが緩和され、フォノンの緩和が防がれる。
• SOCの導入により電子-フォノン結合行列要素が増大し、これが超伝導性の強化に重要な要因となる。
• SOCを含めた計算によるSrBi₃（5.75 K）およびBaBi₃（5.29 K）のTcは、単結晶SrBi₃における実験的測定値（5.75 K）とよく一致している。
• 理論的計算による電子-フォノン結合パラメータλは1.11であり、実験的推定値は1.005であり、強い結合の挙動を確認している。
• ΔC/γTc = 2.12という比はBCS弱結合限界（1.43）を上回っており、強いかき込み電子-フォノン結合および理論モデルの妥当性をさらに裏付けている。