[論文レビュー] Unconventional superconductivity from lattice quantum disorder

Yu-Cheng Zhu, Jia-Xi Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2026

Organic and Molecular Conductors Research被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、核量子多体効果が H3S、D3S、および La3Ni2O7 において格子量子無秩序（LQD）相を誘発することを示し、LQD 相の左端境界が超伝導ドームの左端を沿い、LQD の最大温度がドームの最大 Tc に一致し、格子量子無秩序と非従来超伝導を結びつける。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity presents a defining and enduring challenge in condensed matter physics. Prevailing theoretical frameworks have predominantly emphasized electronic degrees of freedom, largely neglecting the rich physics inherent in the lattice. Although conventional phonon theory offers an elegant description of structural phase diagrams and lattice dynamics, its omission of nuclear quantum many-body effects results in misleading phase diagram interpretations and, consequently, an unsound foundation for superconducting theory. Here, by incorporating nuclear quantum many-body effects within first-principles calculations, we discover a lattice quantum disordered phase in superconductors H3S and La3Ni2O7. This phase occupies a triangular region in the pressure-temperature phase diagram, whose left boundary aligns precisely with Tc of the left flank of the superconducting dome. The Tcmax of this quantum disordered phase coincides with the maximum of superconducting Tc, indicating this phase as both the origin of superconductivity on the dome's left flank and a key ingredient of its pairing mechanism. Our findings advance the understanding of high-temperature superconductivity and establish the lattice quantum disordered phase as a unifying framework, both for predicting new superconductors and for elucidating phenomena in a broader context of condensed matter physics.

研究の動機と目的

• 構造相に対する核量子効果を強調して、非従来型超伝導の格子中心視点を動機づける。
• 第一原理法を用いて格子量子無秩序（LQD）相を同定し、その P–T 境界をマッピングする。
• 代表的材料において、LQD 相を超伝導ドームの左端と最大 Tc に結びつける。

提案手法

• 核量子多体効果を含めるためにパス積分分子動力学（PIMD）を用いる。
• 格子自由エネルギー面をマッピングしLQD境界を同定するためのセントロイド自由エネルギー平均ポテンシャルを構築する。
• DFT（PBE）で訓練した機械学習型原子間ポテンシャルを用いて現実的なPIMDとMDを実現する。
• MD による古典境界を決定し、量子（PIMD）境界と比較して LQD領域を定義する。
• Γ点でのソフトモード挙動を追跡して、P–T空間における相境界を特定する。

Figure 1: Lattice quantum disordered phase in $\textup{H}_{3}\textup{S}$ and $\textup{D}_{3}\textup{S}$ from first-principles calculation. a , A schematic diagram of a 1-D double-well chain, which describes the LQD phase. The nucleus on each lattice site (the ball) lies on a double-well potential (r

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核量子効果を取り入れることで高Tc超伝導体に格子量子無秩序相が現れるか。
• RQ2 LQD相の左境界が H3S、D3S、La3Ni2O7 の超伝導ドームの左端と一致するか。
• RQ3 LQD相の最大 Tc が観測される最大 Tc と一致するか。
• RQ4 LQD枠組みが同位体効果を説明し、異なる材料系を統合して理解を統一できるか。

主な発見

• 核量子ゆらぎによって格子量子無秩序（LQD）相が安定化し、圧力–温度相図上に三角形領域を形成する。
• H3S、D3S、La3Ni2O7 について、LQD相の左境界が超伝導ドームの左端と正確に一致する。
• 各材料で、LQD相の最大 Tc（T_c,LQD^max）は観測された最大 Tc（T_c,SC^max）と一致する。
• 左端の超伝導はLQD相への量子秩序–無秩序転移に起因する。
• LQD相のダイナミクスは従来のフォノン像を超え、独自の対対結合機構を支える可能性がある。
• このアプローチは同位体効果を調和させ、非従来型超伝導に対する格子ベースの統一的視点を提供する。

Figure 2: Lattice quantum disordered phase in $\textup{La}_{3}\textup{Ni}_{2}\textup{O}_{7}$ from first-principles calculation. The solid symbols represent the experimental superconducting $T_{c,\textup{SC}}$ from Refs. [ 40 , 17 ] . On the left flank of the superconducting dome (below 14 GPa), $T_{