[논문 리뷰] Debye temperature in LaHx-LaDy superconductors

Talantsev, E. F.|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 07.

Iron-based superconductors research인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 라운드하이드라이드(LaHx-LaDy) 초전도체에서 온도 의존 저항 데이터를 바탕으로 디바이 온도(Tθ)를 도출하고, 블로흐-그루나이제이식을 사용하여 전자-포논 결합 메커니즘을 Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2 비율을 통해 검증한다. 실험적으로 측정된 Tθ 비율과 제1원리 계산에서 예측된 값 사이에 뚜렷한 이질이 존재하여, 근접한 실온 초전도체에서 전자-포논 메커니즘이 타당하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The Debye temperature, T${_ heta}$=(h/2${\pi}$)/k${_B}$$\omega$$_ heta$, where the Debye frequency $\omega$$_ heta$ is integrated characteristic frequency of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$). In the BCS theory, T${_ heta}$ in conjunction with electron-phonon coupling strength parameter, $\lambda$$_{e-ph}$, determines the superconducting transition temperature, Tc. Despite a fact that more accurate theory of electron-phonon mediated superconductivity requires the knowledge of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$), which can be very accurately computed by first principles calculation technique, there is no experimental technique which can measure $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$) in highly-compressed near-room-temperature (NRT) superconductors. Thus, $\omega$$_ heta$ remains to be the only measurable parameter of full phonon spectrum, $\alpha$$^2$($\omega$)F($\omega$), which can be deduced by the fit of experimental temperature-dependent resistance data, R(T), to Bloch-Gr\"uneisen equation. Taking in account that within electron-phonon mediated theory of superconductivity two isotopic counterparts (or, in case of NRT superconductors, the same superconducting phase at different pressures), designated by subscripts of 1 and 2, should be obey the relation of T${_ heta}_1$/T${_ heta}_2$=T${_c}_1$/T${_c}_2$, there is a way to reaffirm/disprove the electron-phonon mechanism of NRT superconductivity. In this paper, we perform the analysis for R3m-phase of H3S at different pressure, as well as for several superconductors in LaHx-LaDy system and show that there is a large disagreement between experimental data and T${_ heta}_1$/T${_ heta}_2$=T${_c}_1$/T${_c}_2$. Taking in account that similar disagreement has recently reported in H3S-D3S system, it can be concluded that primary origin for NRT superconductivity remains to be discovered.

연구 동기 및 목표

• 고압 상태의 라운드하이드라이드(LaHx-LaDy) 초전도체에서 저항 데이터로부터 실험적으로 디바이 온도(Tθ)를 결정한다.
• 동위 원소 쌍(LaHx 및 LaDy)에 대해 이론적 관계 Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2를 검증함으로써 전자-포논 결합 메커니즘을 시험한다.
• 근접한 실온 초전도체에서 앨런-드라인 및 BCS 기반 전자-포논 결합 프레임워크의 타당성을 도전한다.
• 제1원리 계산과 실험적 Tθ 값 간의 불일치를 규명함으로써, 비포논 매개 쌍성 메커니즘의 가능성을 제기한다.

제안 방법

• 실험적 온도 의존 저항(R(T)) 데이터를 블로흐-그루나이제이 방정식에 적합시켜 Tθ를 추출한다.
• 동위 원소 쌍에 대해 Tc1/Tc2 = Tθ1/Tθ2 관계를 적용하여 전자-포논 결합을 검증한다.
• Tc = 0.05, 0.25 또는 전환점 기준으로 정규화된 저항 R(T)/Rnorm(T)를 사용하여 Tc를 정의한다.
• 실험적으로 도출된 Tθ 및 Tc와 에르레아 등 [34]의 제1원리 계산에서 얻은 λe-ph 값을 비교한다.
• 다양한 압력(130–180 GPa)과 레이저 열처리 단계를 거친 여러 샘플을 분석하여 일관성을 평가한다.
• μ* = 0.10을 가정하고, 앨런-드라인 체계에 f2* 근사법을 적용하여 λe-ph,aMcM를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동위 원소 초전도체인 LaHx와 LaDy 사이의 실험적 Tθ 비율이 전자-포논 이론이 예측하는 바와 같이 Tθ1/Tθ2 = Tc1/Tc2를 만족하는가?
• RQ2 저항 데이터에서 도출된 전자-포논 결합 강도(λe-ph)가 제1원리 계산 결과와 일치하는가?
• RQ3 왜 제1원리 계산에서는 실험적으로 도출된 값보다 더 높은 λe-ph를 예측하는가?
• RQ4 실험적 및 이론적 λe-ph 간의 격리가 고임계 수소화물 초전도체의 쌍성 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 차원이 있는 주파수에 의존하는 ln(ω)에 기반한 앨런-드라인 이론에서 사용되는 대수적 평균 포논 주파수 ωln은 물리적으로 타당한가?

주요 결과

• LaHx (샘플 10, P = 178 GPa)의 경우 Tθ = 721 ± 2 K, Tc = 92 K이며, λe-ph,aMcM = 1.82 ± 0.01을 도출한다. 반면 제1원리 계산 결과 λe-ph = 2.06–2.76이다.
• LaHx (샘플 10, 패널 b)의 경우 Tθ = 941 ± 9 K, Tc = 107 K이며, λe-ph,aMcM = 1.62 ± 0.01이지만, 제1원리 계산 결과는 2.06–2.76이다.
• LaD11 (샘플 8, P = 142 GPa)의 경우 Tθ = 1199 ± 14 K, Tc = 125 K이며, λe-ph,aMcM = 1.49 ± 0.02이지만, 제1원리 계산 결과는 λe-ph = 3.14이다.
• Tc1/Tc2 = 125 K / 107 K = 1.17 이지만, Tθ1/Tθ2 = 1199 K / 941 K = 1.27이므로 전자-포논 이론 예측과 위배된다.
• LaH10 (샘플 3, Tc = 240 K)의 경우 실험적 및 제1원리 계산된 λe-ph 값은 일치하지만, 이는 예외적인 경우이다.
• 이 연구는 대부분의 LaHx-LaDy 체계에서 전자-포논 메커니즘이 실험 데이터와 일치하지 않음을 결론 내리며, 근접한 실온 초전도성에 대해 대체 쌍성 메커니즘이 존재할 가능성을 제기한다.