[论文解读] Spin-orbit coupling enhanced superconductivity in Bi-rich compounds ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba)

Ding‐Fu Shao, Xi-Wang Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究证明，自旋-轨道耦合（SOC）通过抑制费米面嵌套、软化声子并增强电子-声子耦合，显著增强了富铋化合物SrBi₃和BaBi₃中的超导性。在引入SOC后，计算得到的超导转变温度（Tc ≈ 5.29–5.75 K）与单晶测量的实验值高度吻合，解决了以往非SOC计算中Tc被低估超过50%的长期争议。

ABSTRACT

Recently, Bi-based compounds have attracted attentions because of the strong spin-orbit coupling (SOC). In this work, we figured out the role of SOC in ABi$_{3}$ (A=Sr and Ba) by theoretical investigation of the band structures, phonon properties, and electron-phonon coupling. Without SOC, strong Fermi surface nesting leads to phonon instabilities in ABi$_{3}$. SOC suppresses the nesting and stabilizes the structure. Moreover, without SOC the calculation largely underestimates the superconducting transition temperatures ($T_{c}$), while with SOC the calculated $T_{c}$ are very close to those determined by measurements on single crystal samples. The SOC enhanced superconductivity in ABi$_{3}$ is due to not only the SOC induced phonon softening, but also the SOC related increase of electron-phonon coupling matrix elements. ABi$_{3}$ can be potential platforms to construct heterostructure of superconductor/topological insulator to realize topological superconductivity.

研究动机与目标

• 研究自旋-轨道耦合（SOC）在稳定ABi₃（A = Sr, Ba）化合物晶体结构并增强其超导性方面的作用。
• 解决理论预测与ABi₃中实验测量的超导转变温度（Tc）之间长期存在的差异。
• 研究SOC如何影响这些富铋超导体中的费米面嵌套、声子不稳定性及电子-声子耦合。
• 评估通过与拓扑绝缘体异质外延工程化，ABi₃作为实现拓扑超导性的潜在平台的可能性。
• 利用新合成的单晶SrBi₃及高精度物理测量验证理论预测。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）结合QUANTUM ESPRESSO软件包与超软赝势，计算电子能带结构。
• 使用广义梯度近似（GGA-PBE）处理交换-关联相互作用，并采用40 Ry的平面波截断能以确保基组收敛。
• 在有无自旋-轨道耦合的条件下进行声子色散关系计算，以评估结构稳定性和声子软化现象。
• 利用McMillan公式计算电子-声子耦合矩阵元及超导转变温度（Tc），并对比有无SOC的情况。
• 合成高质量单晶SrBi₃，并开展电阻率、磁化率和比热测量，以验证理论预测。
• 采用BCS模型和Bloch-Grüneisen-Mott（BGM）模型拟合实验数据，提取γ、λ和Tc值，以便与理论结果比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-轨道耦合如何影响ABi₃（A = Sr, Ba）化合物中的费米面嵌套与声子稳定性？
• RQ2 为何非SOC DFT计算在ABi₃中显著低估了超导转变温度（Tc）？
• RQ3 SOC在这些富铋超导体的电子-声子耦合与声子软化中贡献如何？
• RQ4 ABi₃是否可通过异质外延工程作为实现拓扑超导性的可行平台？
• RQ5 单晶SrBi₃的实验测量结果与包含SOC的理论预测相比如何？

主要发现

• 在无自旋-轨道耦合时，面心位置电子口袋间的强费米面嵌套导致声子不稳定性，表明结构不稳定。
• 自旋-轨道耦合抑制了费米面嵌套，稳定了声子模式，并在无SOC时防止了声子软化。
• 引入SOC后，电子-声子耦合矩阵元增大，这是增强超导性的关键因素。
• 包含SOC计算得到的SrBi₃（5.75 K）和BaBi₃（5.29 K）的Tc与单晶SrBi₃的实验测得Tc（5.75 K）高度一致。
• 理论计算得到的电子-声子耦合参数λ为1.11，实验估算值为1.005，证实了强耦合行为。
• ΔC/γTc = 2.12 超过BCS弱耦合极限（1.43），进一步支持强电子-声子耦合，并验证了理论模型的可靠性。