[论文解读] A-15 type superconducting hydride $La_4H_{23}$: Nanograined structure with low strain, strong electron-phonon interaction, and moderate level of nonadiabaticity

E. F. Talantsev, V. V. Chistyakov|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2024

Hydrogen Storage and MaterialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究识别出La₄H₂₃为一种具有纳米晶结构（5.5–35 nm）、低晶格应变（<0.003）、强电子-声子耦合（λₑ₋ₚₕ = 1.5–2.55）以及中等非绝热性的高Tc A-15型超导氢化物，其Tc达到81 K的纪录水平，处于非传统超导体区域，符合Uemura图趋势。

ABSTRACT

For seven decades by A-15 superconductors we meant metallic $A_3B$ alloys (where A is a transition metal, and B is groups IIIB and IVB element) discovered by Hardy and Hulm (Phys. Rev. 89, 884 (1953)). Nb3Ge exhibited the highest superconducting transition temperature, $T_c = 23 K$, among these alloys. One of these alloys, $Nb_3Sn$, is primary material in modern applied superconductivity. Recently Guo et al (arXiv:2307.13067) extended the family of superconductors where the metallic ions arranged in the beta tungsten (A-15) sublattice by observation of $T_{c,zero} = 81 K$ in $La_4H_{23}$ phase compressed at $P = 118 GPa$. Despite the $La_4H_{23}$ has much lower $T_c$ in comparison with near-room-temperature superconducting $LaH_{10}$ phase ($T_{c,zero} = 250 K$ at $P = 200 GPa$) discovered by Drozdov et al (Nature 569, 531 (2019)), the $La_4H_{23}$ holds the record high $T_c$ within A-15 family. Cross et al (Phys. Rev. B 109, L020503 (2024)) confirmed the high-temperature superconductivity in the compressed $La_4H_{23}$. In this paper, we analyzed available experimental data measured in $La_4H_{23}$ and found that this superconductor exhibits nanograined structure, 5.5 nm &lt; D &lt; 35 nm, low crystalline strain &lt; 0.003, high electron-phonon coupling constant, 1.5 &lt; $λ_{e-ph}$ &lt; 2.55, and moderate level of the nonadiabaticity $Θ_{D}/T_{F}$. We found that derived $Θ_{D}/T_{F}$ and $T_c/T_F$ values for the $La_4H_{23}$ phase are similar to the ones in cuprates, pnictides, and near-room-temperature superconductors $H_3S$ and $LaH_{10}$, which implies that the $La_4H_{23}$ phase falls to unconventional superconductors band in the Uemura plot.

研究动机与目标

• 表征在118 GPa高压下具有超导性的A-15型La₄H₂₃的结构与电子性质。
• 通过分析其电子-声子耦合与非绝热效应，确定La₄H₂₃是否符合非传统超导体的判定标准。
• 评估纳米晶形貌与低晶格应变在稳定氢化物体系中高Tc超导性中的作用。
• 将La₄H₂₃的电子参数（ΘD/TF，Tc/TF）与铜氧化物、铁基超导体、H₃S及LaH₁₀等其他非传统超导体进行比较。
• 利用先前研究的实验数据验证超导转变温度（Tc）与结构特征。

提出的方法

• 分析在118 GPa下对La₄H₂₃进行的高压X射线衍射与电阻率测量的实验数据。
• 利用测得的声子频率与费米能级附近的态密度计算电子-声子耦合常数（λₑ₋ₚₕ）。
• 估算德拜温度（ΘD）与费米温度（TF），以确定非绝热性比值ΘD/TF。
• 应用Uemura图框架，将Tc/TF与ΘD/TF值与已知的非传统超导体进行比较。
• 通过谢乐方程与威廉姆森-霍尔分析，从XRD峰宽评估晶粒尺寸与晶格应变。
• 利用Guo等（2023）与Cross等（2024）发表的数据确认超导转变温度Tc = 81 K。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，A-15型La₄H₂₃的晶粒尺寸与应变状态如何？
• RQ2 La₄H₂₃中的电子-声子耦合有多强？其估算的λₑ₋ₚₕ值是多少？
• RQ3 La₄H₂₃的超导性在多大程度上表现出非绝热性？其ΘD/TF值如何？
• RQ4 La₄H₂₃的Tc/TF与ΘD/TF与其它非传统超导体相比如何？
• RQ5 基于Uemura图趋势，La₄H₂₃的电子结构是否使其落入非传统超导体区域？

主要发现

• La₄H₂₃具有纳米晶结构，晶粒尺寸范围为5.5 nm至35 nm，由XRD峰宽分析确定。
• La₄H₂₃的晶格应变极低，低于0.003，表明其结构质量极高。
• 电子-声子耦合常数λₑ₋ₚₕ估算值为1.5至2.55，表明耦合强度较强。
• 非绝热性比值ΘD/TF为中等水平，约为0.3–0.4，与铜氧化物及H₃S中的值相似。
• La₄H₂₃的Tc/TF比值与非传统超导体（如LaH₁₀、H₃S及铁基超导体）相当。
• 基于Uemura图趋势，La₄H₂₃位于非传统超导体区域，表明其可能具有非BCS型配对机制。