[논문 리뷰] Spin-orbit coupling enhanced superconductivity in Bi-rich compounds ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba)

Ding‐Fu Shao, Xi-Wang Luo외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스핀-오비트 결합(SOC)이 Bi-rich 화합물인 SrBi₃와 BaBi₃에서 피에르 피면의 피로성, 격자 진동의 연화, 전자-격자 결합 증가로 초전도성의 강화를 크게 촉진함을 보여준다. SOC를 고려한 계산에서 초전도 전이 온도(Tc ≈ 5.29–5.75 K)는 단일 결정 측정에서의 실험적 값과 밀도적으로 일치하며, 이는 이전의 비-SOC 계산에서 Tc를 50% 이상 과소평가한 장기적인 불일치를 해결한다.

ABSTRACT

Recently, Bi-based compounds have attracted attentions because of the strong spin-orbit coupling (SOC). In this work, we figured out the role of SOC in ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba) by theoretical investigation of the band structures, phonon properties, and electron-phonon coupling. Without SOC, strong Fermi surface nesting leads to phonon instabilities in ABi$_{3}$. SOC suppresses the nesting and stabilizes the structure. Moreover, without SOC the calculation largely underestimates the superconducting transition temperatures ($T_{c}$), while with SOC the calculated $T_{c}$ are very close to those determined by measurements on single crystal samples. The SOC enhanced superconductivity in ABi$_{3}$ is due to not only the SOC induced phonon softening, but also the SOC related increase of electron-phonon coupling matrix elements. ABi$_{3}$ can be potential platforms to construct heterostructure of superconductor/topological insulator to realize topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• ABi₃(A = Sr, Ba) 화합물에서 스핀-오비트 결합(SOC)의 결정 구조 안정화 및 초전도성 향상 역할을 조사한다.
• ABi₃에서 이론적 예측과 실험 측정 간의 장기적인 초전도 전이 온도(Tc) 불일치를 해결한다.
• SOC가 이 Bi-rich 초전도체의 피에르 피면의 피로성, 격자 진동 불안정성, 전자-격자 결합에 미치는 영향을 분석한다.
• 상대성 초전도체와의 이종 구조 공학을 통해 ABi₃가 위상적 초전도성 실현 가능 플랫폼이 될 수 있는지 평가한다.
• 최근 합성된 단일 결정 SrBi₃와 고정밀 물리 측정을 통해 이론 예측을 검증한다.

제안 방법

• 전자 밴드 구조 계산을 위해 QUANTUM ESPRESSO 패키지와 초연성 허위파손을 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 교환-상관 상호작용에 일반화된 기울기 근사(GGA-PBE)를 사용하고, 기저 집합 수렴을 위해 40 Ry의 평면파 커패시티를 설정하였다.
• 구조 안정성과 격자 진동 연화를 평가하기 위해 SOC 유무에 따라 격자 진동 분산 계산을 수행하였다.
• McMillan 공식을 사용해 SOC 유무에 따라 전자-격자 결합 행렬 원소와 초전도 전이 온도(Tc)를 계산하였다.
• 이론적 예측의 검증을 위해 고순도 단일 결정 SrBi₃를 합성하고, 저항도, 자화도, 열용량 측정을 수행하였다.
• 실험 데이터를 BCS 모델과 Bloch-Grüneisen-Mott(BGM) 모델에 적합시켜 이론과 비교하기 위해 γ, λ, Tc 값을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합은 ABi₃(A = Sr, Ba) 화합물의 피에르 피면의 피로성과 격자 진동 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 비-SOC DFT 계산은 ABi₃에서 초전도 전이 온도(Tc)를 크게 과소평가하는가?
• RQ3 이 Bi-rich 초전도체에서 SOC는 전자-격자 결합과 격자 진동 연화에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 ABi₃는 상대성 초전도체와의 이종 구조 공학을 통해 위상적 초전도성을 실현하는 데 실현 가능할 수 있는가?
• RQ5 단일 결정 SrBi₃에 대한 실험 측정 결과는 SOC 포함 이론 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합이 없는 경우, 면 중심의 전자 파동이 있는 피에르 피면의 피로성이 격자 진동의 불안정성을 유도하며, 이는 구조적 불안정성을 시사한다.
• 스핀-오비트 결합은 피에르 피면의 피로성을 억제하여 격자 진동 모드를 안정화시키고, SOC가 없는 조건에서의 격자 진동 연화를 방지한다.
• SOC를 포함함으로써 전자-격자 결합 행렬 원소가 증가하며, 이는 초전도성 향상의 핵심 요인이다.
• SOC를 고려한 계산에서 SrBi₃의 Tc(5.75 K)와 BaBi₃의 Tc(5.29 K)는 단일 결정 SrBi₃에서 실험적으로 측정된 Tc 5.75 K와 밀도적으로 일치한다.
• 이론적으로 계산된 전자-격자 결합 매개변수 λ는 1.11이며, 실험적으로 추정된 값은 1.005로, 강한 결합 행동을 확인한다.
• ΔC/γTc = 2.12의 비율은 BCS 약한 결합 한계(1.43)를 초과하며, 강한 전자-격자 결합과 이론 모델의 타당성을 추가로 뒷받침한다.