[论文解读] Bipolaronic high-temperature superconductivity

C. Zhang, J. Sous+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于光致小尺寸双极化子的声子介导高温超导新机制，该双极化子通过键-佩尔尔斯电子-声子耦合形成，其中晶格畸变调节电子跃迁而非势能。利用无符号问题的量子蒙特卡洛模拟，作者证明此类双极化子表现出显著增强的超导转变温度（$T_{\mathrm{c}}$），超出传统界限，为通过功能材料工程实现高温-$T_{\mathrm{c}}$超导体开辟了新途径。

ABSTRACT

Electron-lattice interactions play a prominent role in quantum materials, making a deeper understanding of direct routes to phonon-mediated high-transition-temperature ($T_{\mathrm{c}}$) superconductivity desirable. However, it has been known for decades that weak electron-phonon coupling gives rise to low values of $T_{\mathrm{c}}$, while strong electron-phonon coupling leads to lattice instability or formation of bipolarons, generally assumed to be detrimental to superconductivity. Thus, the route to high-$T_{\mathrm{c}}$ materials from phonon-mediated mechanisms has heretofore appeared to be limited to raising the phonon frequency as in the hydrogen sulfides. Here we present a simple model for phonon-mediated high-$T_{\mathrm{c}}$ superconductivity based on superfluidity of light bipolarons. In contrast to the widely studied Holstein model where lattice distortions modulate the electron's potential energy, we investigate the situation where lattice distortions modulate the electron hopping. This physics gives rise to small-size, yet light bipolarons, which we study using an exact sign-problem-free quantum Monte Carlo approach, demonstrating a new route to phonon-mediated high-$T_\mathrm{c}$ superconductivity. We find that $T_\mathrm{c}$ in our model generically and significantly exceeds typical upper bounds based on Migdal-Eliashberg theory or superfluidity of Holstein bipolarons. The key ingredient in this bipolaronic mechanism that gives rise to high $T_\mathrm{c}$ is the combination of light mass and small size of bipolarons. Our work establishes principles towards the design of high-$T_{\mathrm{c}}$ superconductors via functional material engineering.

研究动机与目标

• 挑战长期以来认为强电子-声子耦合会导致晶格不稳定或产生重双极化子，从而抑制高温-$T_{\mathrm{c}}$超导的假设。
• 探索一种电子-晶格相互作用调制电子跃迁而非势能的新机制，从而实现轻量且紧凑的双极化子。
• 证明此类双极化子可支持超导性，且其$T_{\mathrm{c}}$显著超过Migdal-Eliashberg理论或霍尔斯坦双极化子模型所预测的界限。
• 基于轻量小尺寸双极化子，通过功能材料工程提出实现高温-$T_{\mathrm{c}}$超导体的设计原则。

提出的方法

• 构建一个最小模型，其中晶格畸变调节电子跃迁积分，与标准霍尔斯坦模型中调节局域势能的方式形成对比。
• 将电子-声子耦合建模为键-佩尔尔斯相互作用，其中横向原子位移改变位点间的隧穿势垒。
• 应用精确且无符号问题的量子蒙特卡洛方法，研究由此产生的轻量双极化子的多体物理行为。
• 分析双极化子态中动能增强（促进离域化）与局域化（由配对吸引力引起）之间的竞争关系。
• 作为耦合强度、声子频率和能带填充率的函数，评估超流转变温度$T_{\mathrm{c}}$。
• 与传统理论（包括Migdal-Eliashberg和霍尔斯坦双极化子模型）进行比较，以确立理论上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否电子-声子耦合通过调制电子跃迁而非势能，能够实现高温-$T_{\mathrm{c}}$超导？
• RQ2 双极化子质量与尺寸在决定声子介导配对中的超导转变温度方面起什么作用？
• RQ3 所提出的机制是否能产生超出传统理论所确立理论上限的$T_{\mathrm{c}}$值？
• RQ4 动能与配对吸引力之间的相互作用如何影响双极化子的稳定性和离域化？
• RQ5 该机制在真实材料（如铁基砷化物）中在多大程度上可通过键-佩尔尔斯耦合实现？

主要发现

• 由于跃迁调制，该模型产生轻量且小尺寸的双极化子，与霍尔斯坦模型中的重且局域的双极化子截然不同。
• 所提模型中的超导转变温度$T_{\mathrm{c}}$显著超过Migdal-Eliashberg理论和霍尔斯坦双极化子模型所预测的理论上限。
• 量子蒙特卡洛模拟证实无符号问题存在，从而可对多体系统进行精确处理，并可靠地确定$T_{\mathrm{c}}$。
• 在反绝热极限下，有效电子-电子相互作用$\hat{\cal V}_{\mathrm{e\mbox{-}e}}$包含一个声子介导的排斥分量，有利于$s$-波配对，与观测到的配对对称性一致。
• 该机制可在铁基砷化物中实现，其中出平面砷原子的运动可产生键-佩尔尔斯耦合，诱导强电子-声子耦合，其耦合常数$\lambda \sim 0.5$，声子频率约为$\sim 17-22$ meV。
• FeSe中的净电子跃迁估计约为$\sim 50$ meV，且声子频率与跃迁能之比约为$\sim 2-3$，表明该系统处于有利于所提机制的参数区域。