[論文レビュー] Bipolaronic high-temperature superconductivity

C. Zhang, J. Sous+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、結合ペイアーズによる電子-格子結合に基づく光・小型の双極子子を介したフォノン媒介高融点超伝導の新しいメカニズムを提案する。ここで格子歪みは電子の遷移積分を変化させるが、ポテンシャルエネルギーは変化させない。符号問題のない量子モンテカルロシミュレーションを用いて、このような双極子子が従来の境界を超える顕著な超伝導転移温度（$T_{\mathrm{c}}$）を示すことを実証し、機能的材料工学を用いた新しい高-$T_{\mathrm{c}}$超伝導体の道筋を確立する。

ABSTRACT

Electron-lattice interactions play a prominent role in quantum materials, making a deeper understanding of direct routes to phonon-mediated high-transition-temperature ($T_{\mathrm{c}}$) superconductivity desirable. However, it has been known for decades that weak electron-phonon coupling gives rise to low values of $T_{\mathrm{c}}$, while strong electron-phonon coupling leads to lattice instability or formation of bipolarons, generally assumed to be detrimental to superconductivity. Thus, the route to high-$T_{\mathrm{c}}$ materials from phonon-mediated mechanisms has heretofore appeared to be limited to raising the phonon frequency as in the hydrogen sulfides. Here we present a simple model for phonon-mediated high-$T_{\mathrm{c}}$ superconductivity based on superfluidity of light bipolarons. In contrast to the widely studied Holstein model where lattice distortions modulate the electron's potential energy, we investigate the situation where lattice distortions modulate the electron hopping. This physics gives rise to small-size, yet light bipolarons, which we study using an exact sign-problem-free quantum Monte Carlo approach, demonstrating a new route to phonon-mediated high-$T_\mathrm{c}$ superconductivity. We find that $T_\mathrm{c}$ in our model generically and significantly exceeds typical upper bounds based on Migdal-Eliashberg theory or superfluidity of Holstein bipolarons. The key ingredient in this bipolaronic mechanism that gives rise to high $T_\mathrm{c}$ is the combination of light mass and small size of bipolarons. Our work establishes principles towards the design of high-$T_{\mathrm{c}}$ superconductors via functional material engineering.

研究の動機と目的

• 強い電子-フォノン結合が格子不安定性や重い双極子子を引き起こし、高-$T_{\mathrm{c}}$超伝導を抑制するとする長年の仮定に挑戦すること。
• 電子-格子相互作用がポテンシャルエネルギーではなく電子の遷移を変化させる新しいメカニズムを検討し、軽量でコンactな双極子子を可能にすること。
• このような双極子子が、ミガル＝エリアシャーベル理論やホルスタイン双極子子モデルが予測する境界を超える顕著な$T_{\mathrm{c}}$を支持できることを実証すること。
• 軽量・小型の双極子子に基づく機能的材料工学による高-$T_{\mathrm{c}}$超伝導体の設計原理を同定すること。

提案手法

• 格子歪みが電子の遷移積分を変化させる最小モデルを構築し、標準的なホルスタインモデルとは対照的に、局在的ポテンシャルエネルギーを変化させるのではなく、遷移積分を変化させる。
• 電子-フォノン結合を、横方向の原子変位がサイト間のトンネル障壁を変化させるボンド＝ペイアーズ相互作用としてモデル化する。
• 得られた軽量双極子子の多体物理学を正確に扱える符号問題のない正確な量子モンテカルロ法を適用する。
• 双極子子状態における運動エネルギーの増大（拡散を促進）とペアリング引力による局在化（局在化を促進）の競合を分析する。
• 結合強度、フォノン周波数、バンド充填度の関数として超伝導転移温度$T_{\mathrm{c}}$を評価する。
• ミガル＝エリアシャーベル理論やホルスタイン双極子子モデルを含む従来の理論と比較し、上限境界を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-フォノン結合がポテンシャルエネルギーではなく電子の遷移を変化させる場合、高-$T_{\mathrm{c}}$超伝導が達成可能か。
• RQ2 フォノン媒介ペアリングにおける双極子子の質量とサイズが超伝導転移温度に与える影響は何か。
• RQ3 提案されたメカニズムが、従来の理論で確立された理論的上限を超える$T_{\mathrm{c}}$値をもたらすか。
• RQ4 運動エネルギーとペアリング引力の相互作用が、双極子子の安定性および拡散性に与える影響は何か。
• RQ5 このメカニズムは、鉄系ヒスチジド化物など実材料において、ボンド＝ペイアーズ結合を通じてどの程度実現可能か。

主な発見

• 遷移積分の変調により、ホルスタインモデルとは異なり、軽量で小型の双極子子が得られる。
• 提案されたモデルにおける超伝導転移温度$T_{\mathrm{c}}$は、ミガル＝エリアシャーベル理論やホルスタイン双極子子モデルが予測する上限を著しく上回る。
• 量子モンテカルロシミュレーションにより符号問題が存在しないことが確認され、多体系の正確な取り扱いと信頼性の高い$T_{\mathrm{c}}$の決定が可能となった。
• 反アディアバティック極限において、有効な電子間相互作用$\hat{\cal V}_{\mathrm{e\mbox{-}e}}$にはフォノン媒介の反発的成分が含まれ、$s$波ペアリングを促進するものであり、観測されたペアリング対称性と整合的である。
• 鉄系ヒスチジド化物において、このメカニズムは実現可能である。特に、面外方向のヒスチジド原子の運動に起因するボンド＝ペイアーズ結合により、$\lambda \sim 0.5$の強い電子-フォノン結合と、$\sim 17-22$ meVのフォノン周波数が得られる。
• FeSeにおけるネットの電子遷移エネルギーは$\sim 50$ meVと推定され、フォノン周波数と遷移エネルギーの比は$\sim 2-3$であり、提案されたメカニズムに有利な領域に位置する。