[论文解读] High-temperature superconductivity induced by the Su-Schrieffer-Heeger electron-phonon coupling

Xun Cai, Zi-Xiang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究通过数值精确的量子蒙特卡罗模拟表明，Su-Schrieffer-Heeger（SSH）电子-声子耦合所诱导的超导转变温度（$T_c$）远高于传统的Holstein模型，主要归因于显著增强的成对跃迁过程，从而提升了库珀对的相位相干性。SSH模型在最优耦合下实现$T_c \approx 0.1$（以$t=1$为单位），较Holstein模型的$T_c < 0.01$高出十倍以上，尤其在反绝热极限下，$T_c$随耦合强度的增加而无界增长。

ABSTRACT

Experimental quest for high-temperature and room-temperature superconductivity (SC) at ambient pressure has been a long-standing research theme in physics. It has also been desired to construct reliable microscopic mechanisms that may achieve high-temperature SC. Here we systematically explore SC in the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) electron-phonon coupling models by performing numerically-exact quantum Monte-Carlo simulations. Our results reliably showed that superconducting $T_c$ of the SSH models is high, remarkably higher than those in the Holstein models, particularly in strong electron-phonon coupling regime. This is mainly because SSH phonons can not only induce strong pairing between electrons but also help the phase coherence of Cooper pairs, thus realizing higher $T_c$. As mechanism of higher-$T_c$ of the SSH models could be potentially relevant to realistic materials, it paves a promising way to find higher-temperature SC in the future.

研究动机与目标

• 研究Su-Schrieffer-Heeger（SSH）电子-声子耦合是否能在二维系统中支持高温超导。
• 在相同条件下，利用数值精确方法比较SSH模型与Holstein模型的超导转变温度（$T_c$）。
• 识别SSH模型中$T_c$增强的微观机制，特别是成对跃迁与相位相干性的角色。
• 评估SSH机制在强电子-声子耦合真实材料中的相关性。

提出的方法

• 对掺杂方形晶格SSH模型进行了大规模、数值精确的量子蒙特卡罗（QMC）模拟，以高精度计算$T_c$。
• 模拟在有限掺杂和低温条件下进行，晶格尺寸足够大以最小化有限尺寸效应。
• SSH模型中不存在符号问题，使得在宽范围的电子-声子耦合强度（$\lambda$）和声子频率（$\omega_D$）下均可实现可靠模拟。
• $T_c$通过超流刚度的标度行为提取，与二维超导体的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）理论一致。
• 将结果与相同参数下SSH模型的QMC模拟结果直接对比，以隔离耦合类型的影响。
• 分析了反绝热极限（$\omega_D \to \infty$）以理解$T_c$在瞬时相互作用区域的行为。

Figure 1: (a) Quantum phase diagram of the SSH model at half-filling obtained by three of us in Ref. [ 58 ] . Here $\omega_{D}$ and $\lambda$ are phonon frequency and EPC strength, respectively. (b) Superconducting $T_{c}$ as the function of EPC strength $\lambda$ in SSH model for fixed phonon frequ

实验结果

研究问题

• RQ1 Su-Schrieffer-Heeger（SSH）电子-声子耦合是否能在二维系统中支持高于Holstein模型的超导转变温度？
• RQ2 由SSH声子诱导的成对跃迁过程在增强库珀对相位相干性与$T_c$方面起什么作用？
• RQ3 SSH模型中的$T_c$如何依赖于电子-声子耦合强度（$\lambda$）和声子频率（$\omega_D$），特别是在量子临界点附近？
• RQ4 为何SSH模型中的$T_c$显著高于Holstein模型，特别是在强耦合和反绝热区域？

主要发现

• SSH模型在最优耦合强度$\lambda \approx 1.0$和声子频率$\omega_D = 1.5$时表现出$T_c \approx 0.1$（以$t=1$为单位），较相同条件下Holstein模型的$T_c < 0.01$高出十倍以上。
• SSH模型中的$T_c$对$\lambda$呈现类似穹顶的依赖关系，在半满时反铁磁（AFM）与价键固态（VBS）相之间的量子临界点附近达到峰值。
• 在反绝热极限（$\omega_D \to \infty$）下，SSH模型中的$T_c$随$\lambda$增加而无界增长，而Holstein模型中$T_c$因重双极化子形成而被抑制。
• SSH模型中$T_c$的增强归因于声子诱导的强有效成对跃迁过程，该过程抑制了重的、破坏相位相干性的双极化子形成，从而促进库珀对的相位相干性。
• 结果在不同声子频率和掺杂水平下均具有鲁棒性，$T_c$在AFM-VBS相边界处达到峰值，表明最优超导性具有量子临界起源。
• 本研究证明，如SSH模型中的键型电子-声子耦合，为量子材料中实现高$T_c$超导提供了有前景的途径，尤其适用于具有$B_{1g}$型耦合的材料（如铜氧化物）。

Figure 2: QMC results of superconductivity in the anti-adiabatic (AA) limit ( $\omega_{D}=\infty$ ). (a) The superfluid stiffness $\rho_{s}$ as a function of $T$ for $\lambda=1.6$ and $\delta=0.15$ . Lattice system size ranges from $L=6$ to $L=12$ . The dashed line $2T/\pi$ is used to extract $T_{c}