[论文解读] Absence of phonon-mediated superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Zhenfeng Ouyang, Miao Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2024

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

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论与Wannier插值方法，研究了高压下La₃Ni₂O₇中的电子-声子耦合，发现电子-声子耦合参数（λ = 0.14）极弱，无法解释观测到的约80 K的超导转变温度。结果表明，该材料中的超导性为非常规超导，极可能由强电子关联驱动，而非声子介导的配对机制。

ABSTRACT

A recent experimental study announced the emergence of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, with the highest observed superconducting transition temperature ($T_c$) reaching approximately 80 K beyond 14 GPa. While extensive studies have been devoted to the electronic correlations and potential superconducting pairing mechanisms, there lack investigations into the phonon properties and electron phonon coupling. Using density functional theory in conjunction with Wannier interpolation techniques, we study the phonon properties and electron phonon interactions in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under 29.5 GPa. Our findings reveal that the electron phonon coupling is insufficient to solely explain the observed high superconducting $T_c$ $\sim$ 80 K in La$_3$Ni$_2$O$_7$. And the calculated strong Fermi surface nesting may explain the experimental observed charge density wave transition in La$_3$Ni$_2$O$_7$. Our calculations substantiate La$_3$Ni$_2$O$_7$ is an unconventional superconductor.

研究动机与目标

• 研究电子-声子耦合在高压La₃Ni₂O₇中高临界温度超导行为中的作用。
• 确定声子介导配对是否可解释该材料中报道的Tc ≈ 80 K。
• 考察费米面嵌套对电荷密度波（CDW）形成及电子-声子耦合的影响。
• 利用密度泛函微扰理论，评估29.5 GPa下La₃Ni₂O₇的动力学稳定性和声子谱。
• 通过排除声子介导配对机制，阐明镍酸盐钙钛矿中非常规超导性的内在机制。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA-PBE）的密度泛函理论（DFT）进行电子结构计算。
• 应用Wannier插值技术构建精确的紧束缚模型，用于费米面及电子-声子耦合分析。
• 使用密度泛函微扰理论（DFPT）计算声子色散关系与动力学稳定性。
• 通过McMillan-Allen-Dynes公式计算Eliashberg谱函数α²F(ω)及电子-声子耦合强度λ。
• 利用嵌套函数ξ(q)评估费米面嵌套，识别具有强嵌套特性的动量矢量。
• 绘制动量分辨的电子-声子耦合强度λq,v，并与嵌套矢量关联，评估增强机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子-声子耦合是否足以解释高压La₃Ni₂O₇中Tc ≈ 80 K的高临界温度超导？
• RQ2 在29.5 GPa压力下，La₃Ni₂O₇中电子-声子耦合的强度与空间分布如何？
• RQ3 费米面嵌套在多大程度上促进了观测到的电荷密度波（CDW）转变？
• RQ4 La₃Ni₂O₇中的电子-声子耦合是否足以介导BCS型超导配对？
• RQ5 声子模式与电子结构如何相互作用，进而影响该体系中的超导配对？

主要发现

• 计算得到的电子-声子耦合参数λ为0.14，表明耦合强度极弱。
• 采用μ* = 0.1的McMillan-Allen-Dynes公式计算，预测的Tc为0 K，排除了声子介导配对的可能性。
• 未发现虚频声子模式，证实La₃Ni₂O₇在29.5 GPa压力下具有动力学稳定性。
• 观察到强烈的费米面嵌套，尤其在Γ–Z路径及面内方向，且与有限电子-声子耦合的位置相吻合。
• 嵌套矢量ξ(q)与非零λq,v的q点相匹配，表明嵌套性（而非声子软化）是弱耦合增强的驱动力。
• 结果支持La₃Ni₂O₇中的超导性为非常规超导，极可能由强电子关联驱动，而非电子-声子耦合。