[论文解读] Superconductivity up to 17 K in the high-pressure rhombohedral-I phase of ReO3: a potential oxide analogy of hydride superconductors

P. F. Shan, T. L. Lu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Thermal Expansion and Ionic ConductivityMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究在12–39 GPa压力下稳定的ReO3的高压菱方-I相中，发现了临界温度（Tc）高达17 K的超导性。该超导性源于近密堆积氧亚晶格引起的电子-声子耦合增强，其机制与超氢化物超导体相似，确立了轻元素氢化物超导体在氧化物中的罕见类比。

ABSTRACT

As an A-site-vacant perovskite-type oxide, ReO3 undergoes sequential pressure-driven structural transitions associated with the rotation of ReO6 octahedra. The rhombohedral-I phase in the pressure range of 12-39 GPa is featured by a lattice of nearly close-packed oxygen layers intercalated with Re cations, in reminiscent of the recently discovered superhydride superconductors. A combined study of first-principles calculations and transport measurements under high pressures enabled us to discover superconductivity in the rhombohedral-I phase, and it shows a dome-shaped Tc(P) with a maximum Tc of 17 K at about 30 GPa. In addition to the enhanced density of states at Fermi level compared to that of the ambient phase, the vibrations of hexagonal-close-packed oxygen lattice significantly strengthen the electron-phonon coupling, which is responsible for observed superconductivity with a relatively high Tc. The present work thus establishes a rare case among oxide superconductors that the light-element oxygen lattice plays a crucial role in inducing superconductivity.

研究动机与目标

• 研究A位空位的钙钛矿氧化物ReO3的高压相中的超导性。
• 确定具有密堆积氧晶格的ReO3菱方-I相是否表现出超导行为。
• 探讨电子-声子耦合在该氧化物相中诱导超导性的角色。
• 通过结构和电子相似性，建立氧化物体系与最近发现的氢化物超导体之间的联系。

提出的方法

• 采用立方砧压机进行高压输运测量，以探测高达40 GPa的电阻率和磁化率。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算分析菱方-I相的电子结构和声子模式。
• 基于计算得到的声子谱和费米能级处的态密度，评估电子-声子耦合强度。
• 通过压力依赖的X射线衍射追踪ReO3中的结构转变，以确定菱方-I相的稳定压力窗口。
• 从电阻率下降的起始点和磁测量中的抗磁屏蔽效应提取临界温度（Tc）。
• 比较菱方-I相与常压下ReO3相的电子和振动性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，ReO3的菱方-I相是否表现出超导性？若是，其临界温度是多少？
• RQ2 ReO3菱方-I相中超导性的起源是什么？特别是，它是否由电子-声子耦合驱动？
• RQ3 与常压ReO3相比，菱方-I相的电子结构，特别是费米能级处的态密度，有何不同？
• RQ4 菱方-I相中近密堆积的氧亚晶格在多大程度上模拟了超氢化物超导体中富氢晶格的行为？
• RQ5 ReO3能否作为氧化物体系中与超氢化物超导体在结构和电子性质上的类比？

主要发现

• 在ReO3的菱方化-I相中观察到超导性，其最大临界温度（Tc）在约30 GPa时达到17 K。
• Tc随压力呈现类似穹顶的依赖关系，在30 GPa处达到峰值，并在高于39 GPa时被抑制。
• 菱方-I相具有近密堆积的氧晶格，增强了电子-声子耦合，从而促成观察到的超导性。
• 从头算计算揭示，与常压相相比，费米能级处的态密度显著增加。
• 六方密堆积氧晶格的振动强烈地介导电子-声子耦合，这是超导性的主要机制。
• 本工作确立了ReO3作为罕见的氧化物超导体实例，其中轻元素氧亚晶格在实现超导性中起核心作用，其行为与超氢化物体系类似。