[论文解读] Debye temperature, electron-phonon coupling constant, and three-dome shape of crystalline strain as a function of pressure in highly compressed La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$

E. F. Talantsev, V. V. Chistyakov|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究调查了高度压缩的La₃Ni₂O₇₋δ中的电子-声子耦合及压力依赖的微晶应变，揭示了应变的三峰形貌，并发现22.4 GPa下存在电子-声子耦合常数λₑ₋ₚₕ = 1.75的强耦合超导体。在25 GPa时德拜温度达到550 K，支持电子-声子机制作为超导性的起源，并将应变异常与相变关联起来。

ABSTRACT

Besides ongoing studies of phase structural transitions, pairing mechanism, and physical properties of recently discovered highly compressed high-temperature superconductor La3Ni2O7-δ, here we explored a possibility for the electron-phonon pairing mechanism as an origin of the superconducting state and determined the microcrystalline strain, ε, in high-pressure Fmmm-phase, and low-pressure Amam-phase of this nickelate. To do this, we analysed temperature dependent resistance and extracted pressure dependent Debye temperature, ΘD (P), in La3Ni2O7-δ with an approximate value of ΘD(25 GPa) = 550 K. From this we established that the La3Ni2O7-δ is strong-coupled superconductor with the electron-phonon coupling constant λe-ph(P = 22.4 GPa) =1.75. This value is close to λe-ph =1.70 of ambient pressure superconductors Nb3R (R = Sn, Al). To address ongoing discussion that the lattice strain can be the origin for the emergence of high-temperature superconductivity in the La3Ni2O7-δ, we determined the microcrystalline strain, 0.011≤ ε(P), in the high-pressure Fmmm-phase, and ε(P) < 0.011 of low-pressure Amam-phase. Our analysis showed that ε(P) has three-dome shape in the pressure range of 1.6 GPa ≤ P ≤ 41.2 GPa. One of these two ε(P) deeps at P =15 GPa coincides with the pressure at which the Amam into the Fmmm phase transition occurs. Based on our analysis, we proposed probable condition to observe the zero-resistance state in La3Ni2O7-δ.

研究动机与目标

• 调查电子-声子配对机制是否可能是高度压缩La₃Ni₂O₇₋δ中出现超导性的可能起源。
• 确定低压力（Ammm）和高压力（Fmmm）相中压力依赖的微晶应变ε(P)。
• 分析应变异常与镍氧化物在高压下结构相变之间的关系。
• 建立该体系中零电阻超导性可能出现的条件。

提出的方法

• 通过分析温度依赖的电阻率数据，提取了压力依赖的德拜温度ΘD(P)。
• 利用强耦合超导理论中的既定关系，从ΘD(P)计算电子-声子耦合常数λₑ₋ₚₕ。
• 从电阻率数据中提取微晶应变ε(P)，重点关注偏离理想晶格行为的偏差。
• 在1.6–41.2 GPa的压力范围内分析应变分布ε(P)，以识别结构与电子异常。
• 通过与已知的结构相边界比较，识别相变点。
• 识别出ε(P)中的三峰形貌，并将其与约15 GPa附近的Amm2到Fmmm相变相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高度压缩的La₃Ni₂O₇₋δ中，德拜温度的压力依赖性如何？这对电子-声子耦合意味着什么？
• RQ2 微晶应变ε(P)如何随压力变化？其是否表现出非单调行为，提示存在结构不稳定性？
• RQ3 电子-声子耦合常数λₑ₋ₚₕ是否足够大，以支持该体系中的声子介导超导机制？
• RQ4 ε(P)中的三峰形貌是否与约15 GPa处从Amm2到Fmmm的结构相变相关？
• RQ5 基于应变和耦合参数，La₃Ni₂O₇₋δ中零电阻超导性出现的必要条件是什么？

主要发现

• 在25 GPa时，德拜温度ΘD(P)达到550 K，表明高压下晶格具有高刚性。
• 在22.4 GPa时，电子-声子耦合常数λₑ₋ₚₕ为1.75，表明La₃Ni₂O₇₋δ属于强耦合体系，与Nb₃R（R = Sn, Al）超导体相当。
• 在1.6–41.2 GPa范围内，微晶应变ε(P)呈现三峰形貌，其中在P ≈ 15 GPa处出现一个极小值，与Amm2到Fmmm相变位置一致。
• 高压Fmmm相中的应变保持在0.011以下，而低压相中ε(P) < 0.011，表明晶格畸变程度适中。
• 三峰形应变分布表明存在复杂的晶格动力学，与电子不稳定性及相变相关。
• 本研究提出，高λₑ₋ₚₕ与特定应变特征的共存，可能是该体系中观测到零电阻超导性的必要条件。