[论文解读] The phonon-mediated superconductivity in bismuthates by non-adiabatic pairing

Dominik Szczęśniak, Adam Z. Kaczmarek+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 62被引用 11

一句话总结

本研究采用非绝热艾利亚什伯格理论研究Ba1−xKxBiO3（BKBO）中的声子介导超导电性，揭示了小费米能级导致显著的非绝热效应，从而降低有效库仑赝势并增强电子-声子耦合。结果证实为传统的声子介导机制，但由于强延迟效应、顶点修正和非绝热性，BCS理论失效，同位素效应低于BCS理论预测值。

ABSTRACT

In the present paper, the impact of small Fermi energy on the selected parameters of the superconducting state in Ba$_{1-x}$K$_{x}$BiO$_{3}$ (BKBO) is studied at $x \in (0.3, 0.4, 0.5)$. This is done by employing the adiabatic and non-adiabatic Eliashberg equations in context of the available experimental data. It is found that the retardation, strong-coupling and the non-adiabatic effects notably influence superconducting phase in BKBO. In particular, the electron-electron interaction, approximated here by the Coulomb pseudopotential, is argued to be reduced by the non-adiabatic effects that supplement retardation and allow for the phonon-mediated superconductivity. These findings are reinforced by further analysis of the isotope effect showing reduction of the isotope coefficient with respect to the canonical Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) level, as caused by the interplay of all effects mentioned above. Although physics behind the isotope effect appears to be complex, its resulting behavior comply with the scenario for the conventional superconductors. In summary, obtained results confirm recent theoretical and experimental studies that suggest phonon-mediated mechanism of superconductivity in BKBO. However, they also point out that this phase cannot be properly described with the BCS theory due to the existence of somewhat unusual effects.

研究动机与目标

• 分析小费米能级对BKBO（x = 0.3, 0.4, 0.5）超导参数的影响。
• 评估非绝热效应、延迟效应和强耦合对超导性质的修正作用。
• 调和实验测得的同位素效应与BKBO中声子介导机制之间的关系。
• 确定BCS理论是否足以描述BKBO中的超导电性，或是否需要非绝热艾利亚什伯格理论。

提出的方法

• 求解电子-声子耦合与自能修正的非绝热艾利亚什伯格方程（N-E）。
• 以临界温度、同位素效应和声子谱的实验数据作为输入参数。
• 采用Migdal-Eliashberg形式化方法，通过分别设置频率和动量截断，以包含延迟效应和强耦合效应。
• 通过Migdal参数m = ωD/EF引入顶点修正，以考虑非绝热性。
• 比较绝热与非绝热艾利亚什伯格框架下的结果，以分离非绝热贡献。
• 分析库仑赝势λ*与同位素系数α与非绝热效应的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 非绝热效应如何影响BKBO中费米能级较小时的超导转变温度与序参量？
• RQ2 顶点修正与延迟效应在多大程度上改变了BKBO中有效库仑赝势？
• RQ3 为何BKBO中的同位素系数低于BCS理论的典型值0.5？非绝热效应在其中起到何种作用？
• RQ4 BKBO中的声子介导超导电性能否在BCS理论框架内一致描述，还是必须依赖非绝热艾利亚什伯格理论？
• RQ5 长程库仑相互作用与非绝热性如何共同影响电子-声子耦合强度与超导配对？

主要发现

• 非绝热效应降低了BKBO中的有效库仑赝势（λ*），从而增强电子-声子耦合，超出绝热预测结果。
• BKBO中的临界温度（Tc）可通过非绝热艾利亚什伯格理论良好再现，证实了声子介导的配对机制。
• BKBO中的同位素系数低于BCS理论值0.5，与延迟效应、强耦合及非绝热性的共同作用一致。
• 由于有限的Migdal参数（m = ωD/EF > 0）导致的顶点修正对精确描述至关重要，因此标准的绝热BCS或艾利亚什伯格方法失效。
• 尽管存在声子介导的配对机制，BKBO中的超导态无法用BCS理论描述，原因在于非绝热效应。
• 结果支持近期关于铋酸盐中声子介导超导电性的理论与实验主张，但强调必须采用非绝热艾利亚什伯格理论的扩展形式。