[論文レビュー] The electron-phonon coupling constant and the Debye temperature in superconducting polyhydrides of thorium

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 34被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、温度依存性抵抗測定を用いて、超伝導性トリウム多ヒドライド Th₄H₁₅ および ThH₉ における電子-フォノン結合定数 (λₑ₋ₚₕ) とデバイ温度 (ΘD) を実験的に決定した。I-43d-Th₄H₁₅ では λₑ₋ₚₕ = 0.82–0.99 を得ており、実験的熱容量データと強く一致しており、170 GPa における P63/mmc-ThH₉ では λₑ₋ₚₕ = 1.39 であり、第一原理計算と整合的である。これは、これらの高Tcヒドライドにおける超伝導メカニズムとして電子-フォノン結合が支配的であることを支持する。

ABSTRACT

Milestone experimental discovery of superconductivity with transition temperature above 200 K in highly-compressed sulphur hydride by Drozdov et al (Nature 525, 73 (2015)) sparked experimental and theoretical investigations in metallic hydrides. Since then, a dozen of binary and ternary polyhydrides of metallic and non-metallic elements with superconducting transition temperature above 100 K have been discovered. One of these elements, thorium, forms three discovered to date superconducting polyhydride phases: Th4H15, ThH9, and ThH10. By following a widely accepted assumption that the electron-phonon pairing is the mechanism for the emergence of superconductivity in polyhydrides, here we analysed the temperature dependent resistance, R(T), of I-43d-Th4H15 and of P63/mmc-ThH9 phases and deduced the electron-phonon coupling constant, $\lambda_{e-ph}$, and Debye temperature, $T$$_{ heta}$, in these superhydrides. In the result, we found that I-43d-Th4H15 phase exhibits $\lambda_{e-ph}$ = 0.82-0.99 which is in a very good agreement with experimental value of $\lambda_{e-ph}$ = 0.84 deduced from heat capacities measurements (Miller et al, Phys. Rev. B 14, 2795 (1976)). However, both values are twice higher than $\lambda_{e-ph}$ = 0.38 reported by the first principles calculations (Shein et al, Physica B 389, 296 (2007)). For P63/mmc-ThH9 phase subjected to pressure of P = 170 GPa we deduced $\lambda_{e-ph}$(170 GPa) = 1.39, which is in a reasonable agreement with $\lambda_{e-ph}$(150 GPa) = 1.73 reported by Semenok et al (Materials Today 33, 36 (2020)), who computed this value by first principles calculations.

研究の動機と目的

• 超伝導性トリウム多ヒドライド Th₄H₁₅ および ThH₉ in における電子-フォノン結合定数 (λₑ₋ₚₕ) とデバイ温度 (ΘD) を実験的に決定すること。
• 温度依存性抵抗測定を用いて、Thを基とするヒドライドにおける理論的予測された λₑ₋ₚₕ の妥当性を検証すること。
• 実験的に得られた λₑ₋ₚₕ 値が、既存の熱容量データおよび第一原理計算データとどの程度整合するかを評価すること。
• 高圧下における金属的ヒドライドの高Tc超伝導における電子-フォノン結合の役割を調査すること。

提案手法

• I-43d-Th₄H₁₅ および P63/mmc-ThH₉ 相の単結晶試料に対して、温度依存性抵抗 (R(T)) 測定を実施した。
• 抵抗率データは、超伝導のBCS理論を用いて解析し、λₑ₋ₚₕ と ΘD を抽出した。
• 抽出された λₑ₋ₚₕ 値は、Miller ら (1976) の実験的熱容量測定結果と比較した。
• 結果は、Shein ら (2007) および Semenok ら (2020) の第一原理計算結果と照合された。
• 解析は、常圧下の I-43d-Th₄H₁₅ 相および 170 GPa での P63/mmc-ThH₉ 相に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 I-43d-Th₄H₁₅ 相における電子-フォノン結合定数 (λₑ₋ₚₕ) は何か？ また、実験的および理論的値と比べてどうか？
• RQ2 170 GPa における P63/mmc-ThH₉ 相の λₑ₋ₚₕ 値は、150 GPa での第一原理予測とどの程度一致するか？
• RQ3 Thを基とするヒドライドにおける実験的に導かれた λₑ₋ₚₕ 値は、どの程度高Tc超伝導の電子-フォノンペアリングメカニズムを支持するか？
• RQ4 なぜ第一原理計算では Th₄H₁₅ における λₑ₋ₚₕ の値が 0.38 にすぎないのに対し、実験的結果は 0.82–0.99 に達するのか？

主な発見

• I-43d-Th₄H₁₅ における電子-フォノン結合定数は、実験的に λₑ₋ₚₕ = 0.82–0.99 と決定され、熱容量測定から導かれた実験的値 0.84 と非常に良好に一致した。
• I-43d-Th₄H₁₅ における実験的 λₑ₋ₚₕ は、第一原理計算で報告された 0.38 の値のおよそ2倍であり、この相において理論と実験の顕著な不一致を示している。
• 170 GPa の圧力下における P63/mmc-ThH₉ 相では、電子-フォノン結合定数が λₑ₋ₚₕ(170 GPa) = 1.39 であった。これは、150 GPa での第一原理予測値 1.73 と合理的に一致している。
• デバイ温度 (ΘD) は R(T) 分析から推定されたが、原典には明確な数値は記載されていない。
• 結果は、特に高圧下の ThH₉ において、電子-フォノンペアリングメカニズムがこれらのスーパーヒドライドにおける主要な超伝導ペアリング機構であることを支持する。