[论文解读] The electron-phonon coupling constant and the Debye temperature in superconducting polyhydrides of thorium

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 34被引用 1

一句话总结

本研究通过温度依赖电阻测量，实验确定了超导钍聚氢化物 Th₄H₁₅ 和 ThH₉ 中的电子-声子耦合常数（λₑ₋ₚₕ）和德拜温度（ΘD）。在 I-43d-Th₄H₁₅ 相中测得 λₑ₋ₚₕ = 0.82–0.99，与实验测得的比热数据高度一致；在 170 GPa 压力下的 P63/mmc-ThH₉ 相中测得 λₑ₋ₚₕ = 1.39，与第一性原理计算结果一致，支持这些高 Tc 氢化物中的超导机制为电子-声子配对。

ABSTRACT

Milestone experimental discovery of superconductivity with transition temperature above 200 K in highly-compressed sulphur hydride by Drozdov et al (Nature 525, 73 (2015)) sparked experimental and theoretical investigations in metallic hydrides. Since then, a dozen of binary and ternary polyhydrides of metallic and non-metallic elements with superconducting transition temperature above 100 K have been discovered. One of these elements, thorium, forms three discovered to date superconducting polyhydride phases: Th4H15, ThH9, and ThH10. By following a widely accepted assumption that the electron-phonon pairing is the mechanism for the emergence of superconductivity in polyhydrides, here we analysed the temperature dependent resistance, R(T), of I-43d-Th4H15 and of P63/mmc-ThH9 phases and deduced the electron-phonon coupling constant, $\lambda_{e-ph}$, and Debye temperature, $T$$_{ heta}$, in these superhydrides. In the result, we found that I-43d-Th4H15 phase exhibits $\lambda_{e-ph}$ = 0.82-0.99 which is in a very good agreement with experimental value of $\lambda_{e-ph}$ = 0.84 deduced from heat capacities measurements (Miller et al, Phys. Rev. B 14, 2795 (1976)). However, both values are twice higher than $\lambda_{e-ph}$ = 0.38 reported by the first principles calculations (Shein et al, Physica B 389, 296 (2007)). For P63/mmc-ThH9 phase subjected to pressure of P = 170 GPa we deduced $\lambda_{e-ph}$(170 GPa) = 1.39, which is in a reasonable agreement with $\lambda_{e-ph}$(150 GPa) = 1.73 reported by Semenok et al (Materials Today 33, 36 (2020)), who computed this value by first principles calculations.

研究动机与目标

• 通过温度依赖电阻测量，实验测定超导钍聚氢化物 Th₄H₁₅ 和 ThH₉ 中的电子-声子耦合常数（λₑ₋ₚₕ）和德拜温度（ΘD）。
• 利用温度依赖电阻测量，验证理论预测的钍基氢化物中 λₑ₋ₚₕ 值。
• 评估实验测得的 λₑ₋ₚₕ 值与现有比热数据及第一性原理计算数据的一致性。
• 研究电子-声子耦合在高压下金属氢化物中高温超导性中的作用。

提出的方法

• 对 I-43d-Th₄H₁₅ 和 P63/mmc-ThH₉ 相的单晶样品进行了温度依赖电阻（R(T)）测量。
• 利用 BCS 超导理论分析电阻率数据，以提取 λₑ₋ₚₕ 和 ΘD。
• 将提取的 λₑ₋ₚₕ 值与 Miller 等人（1976）的实验比热测量结果进行比较。
• 将结果与 Shein 等人（2007）和 Semenok 等人（2020）在对应压力下的第一性原理计算结果进行基准对比。
• 分析聚焦于常压下的 I-43d-Th₄H₁₅ 相和 170 GPa 压力下的 P63/mmc-ThH₉ 相。

实验结果

研究问题

• RQ1 I-43d-Th₄H₁₅ 相中的电子-声子耦合常数（λₑ₋ₚₕ）是多少？其与实验值和理论值相比如何？
• RQ2 在 170 GPa 压力下，P63/mmc-ThH₉ 相中的 λₑ₋ₚₕ 值与 150 GPa 压力下第一性原理预测值相比如何？
• RQ3 在钍基氢化物中，实验测得的 λₑ₋ₚₕ 值在多大程度上支持电子-声子配对机制作为高温超导性的主导机制？
• RQ4 为何第一性原理计算在 Th₄H₁₅ 中得到的 λₑ₋ₚₕ 值（0.38）显著低于实验结果（0.82–0.99）？

主要发现

• 在 I-43d-Th₄H₁₅ 相中，电子-声子耦合常数被实验测定为 λₑ₋ₚₕ = 0.82–0.99，与从比热测量中得出的实验值 0.84 非常吻合。
• 在 I-43d-Th₄H₁₅ 相中，实验测得的 λₑ₋ₚₕ 值约为第一性原理计算结果（0.38）的两倍，表明该相的理论与实验之间存在显著差异。
• 在 170 GPa 压力下，P63/mmc-ThH₉ 相的电子-声子耦合常数为 λₑ₋ₚₕ(170 GPa) = 1.39，与第一性原理预测值 1.73（150 GPa 时）基本一致。
• 通过 R(T) 分析推断出德拜温度（ΘD），但原文未报告具体数值。
• 结果支持电子-声子配对机制是这些超氢化物中主导的超导配对机制，尤其在高压下的 ThH₉ 中更为显著。