[论文解读] Ambient pressure high temperature superconductivity in RbPH$_3$ facilitated by ionic anharmonicity

Đorđe Dangić, Yue‐Wen Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2024

Theoretical and Computational Physics被引用 4

一句话总结

本研究预测在RbPH₃中存在常压高温超导性，临界温度约为100 K，其机理由离子量子非谐性所驱动，可稳定超导相。通过基于随机自洽谐波近似（SSCHA）的从头算计算，作者表明量子涨落可动态稳定R3m钙钛矿相直至常压，克服谐性不稳定性，并通过强电子-声子耦合实现高Tc超导性。

ABSTRACT

Recent predictions of metastable high-temperature hydride superconductors give hope that superconductivity at ambient conditions is within reach. In this work, we predict RbPH$_3$ as a new compound with a superconducting critical temperature around 100 K at ambient pressure, dynamically stabilized thanks to ionic quantum anharmonic effects. RbPH$_3$ is thermodynamically stable at 30 GPa in a perovskite $Pm\bar{3}m$ phase, allowing its experimental synthesis at moderate pressures far from the megabar regime. With lowering pressure it is expected to transform to a $R3m$ phase that should stay dynamically stable thanks to quantum fluctuations down to ambient pressures. Both phases are metallic, with the $R3m$ phase having three distinct Fermi surfaces, composed mostly of states with phosphorus and hydrogen character. The structures are held together by strong P-H covalent bonds, resembling the pattern observed in the high-temperature superconducting H$_3$S, with extra electrons donated by rubidium. These results demonstrate that quantum ionic fluctuations, neglected thus far in high-throughput calculations, can stabilize at ambient pressure hydride superconductors with a high critical temperature.

研究动机与目标

• 识别在动力学和热力学上稳定的新型常压氢化物超导体。
• 研究离子量子非谐性在低压力下稳定高Tc超导相中的作用。
• 证明标准高通量筛选方法（忽略非谐性）可能遗漏可行的超导候选材料。
• 预测一种新型超导化合物RbPH₃，在常压下临界温度接近100 K。
• 表明即使谐性近似预测存在动力学不稳定性，量子涨落仍可稳定超导相。

提出的方法

• 采用含PBE泛函和DFT+U校正的从头算密度泛函理论（DFT）进行电子结构计算。
• 应用随机自洽谐波近似（SSCHA）以在自由能景观中包含离子量子涨落和非谐效应。
• 使用ALM方法进行声子计算和电子-声子耦合分析，以计算Eliashberg谱函数α²F(ω)和耦合强度λ。
• 采用完整的Migdal-Eliashberg形式化计算Tc，通过屏蔽相互作用W(ε,ε')包含非局部库仑相互作用，并对库仑参数μ*进行重整化。
• 通过在Rb-P-H相图中构建凸包，开展热力学稳定性分析，压力范围涵盖多种压力条件。
• 在随机相位近似（RPA）中计算库仑相互作用W(ε,ε')，并利用Morel-Anderson公式得出μ* = 0.26，采用高截止频率ωc = 19.7 eV。

Figure 1: (a) Ternary phase diagram for the Rb-P-H system neglecting the zero-point energy at 25 GPa. Stoichiometries on the convex hull are represented with red circles. RbPH 3 is denoted by the star. The color scheme of the background denotes the enthalpy from the convex hull. (b) Continuous lines

实验结果

研究问题

• RQ1 离子量子非谐性能否在常压下稳定氢化物中的高Tc超导相？
• RQ2 在包含非谐效应的情况下，RbPH₃在常压条件下是否具有动力学稳定性？
• RQ3 RbPH₃在R3m相中零压下的临界温度是多少？与谐性近似相比有何差异？
• RQ4 电子-声子耦合与库仑相互作用如何影响RbPH₃中的Tc？
• RQ5 在高通量筛选中引入非谐效应，能否识别出此前被遗漏的新型常压超导体？

主要发现

• 尽管在谐性近似下为鞍点，RbPH₃的R3m相由于离子量子非谐性，在常压下仍具有动力学稳定性。
• 在0 GPa下，采用μ* = 0.26的完整Migdal-Eliashberg方法计算，RbPH₃的超导临界温度为101 K。
• 电子-声子耦合强度λ因P-H共价键网络和R3m相的金属性而增强。
• 库仑相互作用参数μ*估计为0.26，显著高于典型值，这是由于氢化物中德拜频率较高所致。
• R3m相具有三个由P和H轨道主导的独立费米面，支持强电子-声子耦合。
• RbPH₃在30 GPa下热力学稳定，以Pm3̄m钙钛矿相存在，压力降低后转变为R3m相，后者由量子涨落稳定。

Figure 2: Structure of (a) the $R3m$ phase at 0 GPa and (b) the $Pm\bar{3}m$ phase at 30 GPa of RbPH 3 . The contours show the electronic localization function (ELF) at the value of 0.8. The visualization of the structure and the ELF is done using VESTA [ 41 ] .