[論文レビュー] The phonon-mediated superconductivity in bismuthates by non-adiabatic pairing

Dominik Szczęśniak, Adam Z. Kaczmarek+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 62被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、非断熱 Eliashberg 理論を用いて Ba1−xKxBiO3 (BKBO) におけるフォノン媒介超伝導を調査した。小さなフェルミエネルギーが顕著な非断熱効果を引き起こし、有効クーロン擬似ポテンシャルを低下させ、電子-フォノン結合を強化することが明らかになった。結果は、常識的なフォノン媒介メカニズムを確認するものであるが、強い遅延効果、頂点補正、非断熱性のため、BCS理論は不適切である。同様に、同位体効果はBCS理論の予測を下回っている。

ABSTRACT

In the present paper, the impact of small Fermi energy on the selected parameters of the superconducting state in Ba$_{1-x}$K$_{x}$BiO$_{3}$ (BKBO) is studied at $x \in (0.3, 0.4, 0.5)$. This is done by employing the adiabatic and non-adiabatic Eliashberg equations in context of the available experimental data. It is found that the retardation, strong-coupling and the non-adiabatic effects notably influence superconducting phase in BKBO. In particular, the electron-electron interaction, approximated here by the Coulomb pseudopotential, is argued to be reduced by the non-adiabatic effects that supplement retardation and allow for the phonon-mediated superconductivity. These findings are reinforced by further analysis of the isotope effect showing reduction of the isotope coefficient with respect to the canonical Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) level, as caused by the interplay of all effects mentioned above. Although physics behind the isotope effect appears to be complex, its resulting behavior comply with the scenario for the conventional superconductors. In summary, obtained results confirm recent theoretical and experimental studies that suggest phonon-mediated mechanism of superconductivity in BKBO. However, they also point out that this phase cannot be properly described with the BCS theory due to the existence of somewhat unusual effects.

研究の動機と目的

• 小さなフェルミエネルギーが BKBO (x = 0.3, 0.4, 0.5) の超伝導パラメータに与える影響を分析すること。
• 非断熱効果、遅延効果、強相関効果が超伝導特性をどのように変化させるかを評価すること。
• BKBOにおける実験的同位体効果をフォノン媒介メカニズムと整合させる方法を特定すること。
• BCS理論がBKBOの超伝導を記述するのに十分かどうかを判断すること、あるいは非断熱 Eliashberg 理論が必要となるかを明らかにすること。

提案手法

• 電子-フォノン結合および自己エネルギー補正の非断熱 Eliashberg 方程式 (N-E) を解く。
• 臨界温度、同位体効果、フォノンスペクトルの実験データを入力パラメータとして使用する。
• 遅延効果と強相関効果を含めるために、周波数および運動量のカットオフを別々に導入したMigdal-Eliashberg形式を適用する。
• 非断熱性を反映させるために、頂点補正をMigdalパラメータ m = ωD/EF を用いて組み込む。
• 断熱的および非断熱的 Eliashberg フレームワークの結果を比較し、非断熱寄与を分離する。
• 非断熱効果と関連して、有効クーロン擬似ポテンシャル λ* および同位体係数 α を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さなフェルミエネルギーを有するBKBOにおける非断熱効果は、超伝導転移温度および秩序パラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ2 頂点補正および遅延効果は、BKBOにおける有効クーロン擬似ポテンシャルにどの程度影響を与えるか？
• RQ3 なぜBKBOにおける同位体係数は、標準的なBCS値 0.5 よりも低くなるのか？非断熱効果はこの現象にどのように寄与するか？
• RQ4 BKBOにおけるフォノン媒介超伝導は、BCS理論で一貫して記述可能か、それとも非断熱 Eliashberg 理論が必要か？
• RQ5 長距離クーロン相互作用と非断熱性が、同時に電子-フォノン結合強度および超伝導対形成にどのように作用するか？

主な発見

• 非断熱効果により、BKBOにおける有効クーロン擬似ポテンシャル (λ*) が低下し、断熱的予測を上回る電子-フォノン結合が強化された。
• BKBOにおける臨界温度 (Tc) は、非断熱 Eliashberg 理論によってよく再現され、フォノン媒介対形成が確認された。
• BKOにおける同位体係数は、BCS値 0.5 よりも低く、遅延効果、強相関効果、非断熱性の相乗作用と整合的である。
• 有限のMigdalパラメータ (m = ωD/EF > 0) に起因する頂点補正は、正確な記述に不可欠であり、標準的な断熱的BCSまたはEliashbergアプローチを無効にした。
• 非断熱効果のため、フォノン媒介対形成メカニズムが存在するにもかかわらず、BKBOの超伝導状態はBCS理論では記述できない。
• 最近の理論的および実験的主張（ビスマス酸化物におけるフォノン媒介超伝導）を支持するが、Eliashberg理論の非断熱拡張が不可欠であることを強調した。