[论文解读] A comprehensive first principles calculations on (Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3 single-cubic-perovskite superconductor

Mirza H. K. Rubel, S.K. Mitro+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，研究了（Ba0.82K0.18）（Bi0.53Pb0.47）O3（BKBPO）钙钛矿超导体的电子、弹性及超导性质。结果表明，其电子-声子耦合常数较高（λ = 1.46），费米能级附近存在强轨道杂化，具有多带费米面，且表现出显著各向异性，表明BKBPO是一种强耦合、多带超导体，具有实现高Tc行为的潜力。

ABSTRACT

In this present study, the pseudopotential plane-wave (PP-PW) pathway in the scheme of density functional theory (DFT) is utilized to investigate the various physical properties on (Ba0.82K0.18)(Bi0.53Pb0.47)O3 (BKBPO) single perovskite superconductor. We have analyzed elastic constants and moduli at zero and elevated pressures (up to 25 GPa) as well. We also have investigated the anisotropic nature incorporating both the theoretical indices and graphical representations in 2D and 3D dimensions, which reveals a high level of anisotropy. The flatness of the energy bands near EF is a sign of Van-Hf singularity that might increase the electron pairing and origination of high-TC superconductivity. The computed band structure exhibits its metallic characteristics is confirmed by band overlapping. A band of DOS is formed for the strong hybridization of the constituent elements. The orbital electrons of O-2p contribute most dominantly at EF in contrast to all orbital electrons. The orbital electrons at the EF are higher from both the partial density of states and charge density mapping investigation. The coexistence of the electron and hole-like Fermi sheets exhibits the multi-band nature of BKBPO. On the other hand, Fermi surfaces with flat faces promote transport features and Fermi surface nesting as well. The calculated value of the electron-phonon coupling constant (λ = 1.46) is slightly lower than the isostructural superconductor, which indicates that the studied BKBPO can be treated as a strongly coupled superconductor similar to the reported isostructural perovskite superconductors. Furthermore, the thermodynamic properties have been evaluated and analyzed at elevated temperature and pressure by using harmonic Debye approximation (QHDA).

研究动机与目标

• 采用第一性原理方法研究（Ba0.82K0.18）（Bi0.53Pb0.47）O3（BKBPO）单立方钙钛矿超导体的电子与超导性质。
• 分析BKBPO在零压和高达25 GPa的高温高压条件下的弹性行为与力学稳定性。
• 利用理论指标和二维/三维图形表示方法，探究BKBPO的各向异性特性。
• 通过分析电子结构、费米面拓扑及费米能级附近的轨道贡献，确定高Tc超导性的起源。
• 采用简谐德拜近似（QHDA）评估高温高压条件下BKBPO的热力学性质。

提出的方法

• 在密度泛函理论（DFT）框架下，采用赝势平面波（PP-PW）方法进行电子结构计算。
• 在零压及高达25 GPa的压力下计算弹性常数和模量，以评估力学稳定性和各向异性。
• 利用费米面拓扑结构与能带结构分析，研究多带特征及嵌套性质。
• 通过部分态密度（PDOS）和电荷密度图谱分析，识别费米能级附近主导的轨道贡献。
• 计算电子-声子耦合常数（λ），以评估超导配对强度。
• 应用简谐德拜近似（QHDA）评估高温高压条件下热力学性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 BKBPO的电子结构与费米面拓扑特征是什么？这些特征如何支持多带超导？
• RQ2 BKBPO中的电子-声子耦合常数（λ）与同结构钙钛矿超导体相比如何？这对超导配对意味着什么？
• RQ3 BKBPO在力学与电子性质方面的各向异性程度如何？这种各向异性如何影响其超导行为？
• RQ4 哪些原子轨道对BKBPO费米能级附近的电子态贡献最为显著？
• RQ5 BKBPO在高温高压条件下的热力学性质如何演变？

主要发现

• 电子-声子耦合常数λ = 1.46表明，BKBPO是一种强耦合超导体，与其它同结构钙钛矿超导体相似。
• 能带结构表现出金属特性，因能带重叠所致；费米能级附近存在平坦能带，暗示可能存在范霍夫奇点，可能增强电子配对。
• O-2p轨道主导费米能级附近的电子态，各组成元素间存在显著轨道杂化，形成在态密度中具有特征性的能带。
• 电子和空穴型费米面片共存，证实了BKBPO的多带特性，且平坦的费米面面有助于嵌套及输运性质。
• 理论指标与二维/三维图形表示结果表明，BKBPO在弹性与电子响应方面均表现出强烈的各向异性。
• 采用简谐德拜近似成功评估了高温高压下BKBPO的热力学性质，表明其在极端条件下具有稳定性。