[論文レビュー] Superconducting critical temperature of hole doped blue phosphorene

Davoud Nasr Esfahani, Reza Asgari|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論および頂点補正を含むミグダル＝エリアシャーベル形式を用いて、穴ドーピングされたブルーインジウムホスファレンの理論的考察が行われ、強い電子-格子励起子結合に起因して40 Kから100 Kの高い超伝導転移温度（Tc）が予測された。頂点補正の導入により、ドーピング濃度に応じてTcは±20 K変化し、標準的エリアシャーベル理論を超えて、超伝導性が強く保たれることを確認した。

ABSTRACT

We theoretically explore the superconducting critical temperature of hole doped blue phosphorene. Implementing the density functional theory calculations, we show that for the hole doped blue phosphorene, the isotropic superconducting state is induced owing to the quite strong electron-phonon coupling. The theory is based on the Migdal-Eliashberg formalism and the critical temperature is obtained through set-of-equations, self-consistency. In addition, we include a vertex correction diagram to the Migdal-Eliashberg formalism. The inclusion of the vertex correction beyond the Migdal-Eliashberg formalism changes the $T_c$ about $\pm20$K, depending on the level of the doping. Our accurate numerical results show that the superconducting critical temperature is still quite high, even in the cases that the vertex correction is implemented.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、穴ドーピングされたブルーインジウムホスファレンにおける超伝導転移温度（Tc）を調査すること。
• 強い電子-格子励起子結合（EPC）が、この2次元半導体で高Tc超伝導を誘発できるかどうかを特定すること。
• ミグダル＝エリアシャーベル形式を超えた頂点補正がTc予測に与える影響を評価すること。
• ドーピング濃度および電子状態密度（DOS）がTcに与える影響を評価すること。
• 実験的検証を想定した2次元超伝導体におけるTcの定量的予測を提供すること。

提案手法

• 穴ドーピングされたブルーインジウムホスファレンの電子的および格子的構造を計算するために、密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 電子-格子励起子結合行列要素を用いて、多帯ミグダル＝エリアシャーベル形式を自己無撞着に解き、Tcを求めた。
• 2次自己エネルギー図を用いて頂点補正を組み込み、標準的エリアシャーベル理論を超える精度を向上させた。
• λ、α²F、およびTcの数値的安定性を保証するため、ガウス幅および細かいk/qメッシュ収束テストを実施した。
• Tcの決定に必要な主要な入力として、電子-格子励起子結合定数（λ）およびスペクトル関数α²Fを計算した。
• Tcの感度を評価するために、定常DOS（ConstDOS）と可変DOS（VarDos）の近似を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電子-格子励起子結合に起因して、穴ドーピングがブルーインジウムホスファレンに高Tc超伝導状態を誘発できるか？
• RQ2 ミグダル＝エリアシャーベル形式に頂点補正を組み込むと、予測されるTcにどのような影響を与えるか？
• RQ3 Tcはフェルミエネルギーシフト（δEF）および穴ドーピング密度にどのように依存するか？
• RQ4 異なるDOS近似（ConstDOS対比 VarDos）がTc予測に与える影響は何か？
• RQ5 ドーピング濃度および数値的収束パrameterの変動にかかわらず、予測されたTcは強靭で実験的検証可能か？

主な発見

• 穴ドーピングされたブルーインジウムホスファレンにおける超伝導転移温度（Tc）は、穴密度が5×10¹³ cm⁻²から3.8×10¹⁴ cm⁻²の範囲で40 Kから100 Kの間で変動する。
• ミグダル＝エリアシャーベル形式に頂点補正を組み込むことで、ドーピング濃度（δEF）に応じてTcが±20 K変化し、顕著な多体効果が示された。
• Tcは低い穴ドーピング濃度で最大となり、最大TcはδEF = -0.055 eV付近に現れる。
• VarDosアプローチは、特に価電子帯最大付近でConstDOSよりもより正確なTc予測をもたらした。
• 800×800 kメッシュおよび200×200 qメッシュで数値収束が達成され、ガウス幅σの変化に対してもα²Fおよびλは安定した。
• 強い電子-格子励起子結合（λ）が確認され、ピーク結合は価電子帯最大付近に現れ、高Tc超伝導の支援が得られた。