高温超导探索二次电子声子耦合

《物理评论快报》 (PRL)发表的一项新研究探索了二次电子-声子耦合通过形成量子双极化子来增强超导性的潜力。

电子-声子耦合是电子与晶格中振动(称为声子)之间的相互作用。这种相互作用对于某些材料的超导性(无电阻电导性)至关重要，因为它有助于形成库珀对。

库珀对是通过吸引力相互作用结合在一起的电子对。当这些库珀对凝聚成相干态时，我们就获得了超导特性。

电子-声子耦合可根据其对声子位移(即晶格振动的程度)的依赖性进行分类。最常见的情况是电子密度与晶格位移线性耦合，导致晶格扭曲包围每个电子。

研究人员想要研究是否可以增强表现出二次耦合的材料的超导性，即相互作用能与声子位移的平方成正比。

Phys.org 采访了这项研究的共同作者，斯坦福大学博士生赵宇韩和康涅狄格大学物理系助理教授帕维尔沃尔科夫博士。

谈及从事这项研究的动机，韩教授表示：“我的梦想之一就是发现并提出有助于实现高温超导的新机制。”

Volkov 博士表示：“掺杂的钛酸锶的超导性早在 50 多年前就被发现，但其机制仍是一个悬而未决的问题，常规机制不太可能实现。这就是我开始研究替代电子-声子耦合机制的原因。”

线性耦合及其对超导的挑战

如前所述，耦合可以分为线性耦合或二次耦合。

线性耦合是指耦合与声子的位移成正比的情况。另一方面，二次耦合取决于声子位移的平方。

它们可以通过研究材料的对称性、实验观察和理论框架来识别。但它们对超导性的影响似乎截然不同。

线性耦合存在于大多数超导材料中，由于其在许多材料中普遍存在，因此得到了广泛的研究，并具有理论框架。

然而，传统的具有线性电子-声子耦合的超导体面临局限性。这些材料的临界温度较低，低于该温度材料才能表现出超导性。

韩解释说：“这些超导体的临界温度通常低于 30 开尔文或 -243.15 摄氏度。部分原因是库珀对结合能和动能分别在弱耦合和强耦合状态下呈指数抑制。”

在弱耦合下，由于结合能较低，电子-声子相互作用较弱;在强耦合下，相互作用较强，导致库珀对的有效质量较大，从而抑制超导。

然而，这种抑制阻碍了仅通过增加耦合强度来提高此类材料临界温度的任何努力，从而鼓励研究人员探索尚未被很好理解的二次电子-声子耦合材料。

霍尔斯坦模型和量子双极子

Holstein 模型是描述电子与声子相互作用的理论框架，之前曾用于研究线性电子-声子耦合的一般物理学。

研究人员扩展了 Holstein 模型，将二次电子-声子耦合纳入研究之中。

霍尔斯坦模型有助于计算库珀对的结合能和超导体的临界温度等物理量。

在传统材料中，声子介导的电子结合会导致库珀对的形成。

这种相互作用是线性的，这意味着耦合强度随着晶格振动幅度的增加而增加。这种相互作用可以用经典物理原理来理解，并得到同位素效应等实验观察的充分支持。

在二次耦合的情况下，情况完全不同。通过扩展 Holstein 模型以纳入耦合对声子位移的二阶依赖性，研究人员解释了声子的量子涨落(随机运动)和零点能量(0 开尔文时声子的能量)。

电子与声子的量子涨落相互作用，形成“量子双极子”。与线性耦合不同，吸引相互作用的起源纯粹是量子力学的。

弱耦合和强耦合极限下的超导

研究人员发现，当电子-声子相互作用较弱时，电子配对形成库珀对的机制并不有效，类似于线性情况。这会导致临界温度较低，并受离子质量的影响(同位素效应)，但与线性情况不同。

换句话说，材料的(低)临界温度会随着原子质量的不同而发生显著变化。

相反，当电子-声子相互作用较强时，就会形成量子双极子，它们可以在由其有效质量和密度设定的温度下变为超导。

在临界温度以下，量子双极子凝聚体可以自由移动而不会干扰晶体。更高的移动性导致超导状态，这种状态更稳定，临界温度也更高。与线性机制不同，量子双极子质量仅因耦合而略有增强，从而允许更高的临界温度。

“我们的工作表明，这种机制允许更高的转变温度，至少对于强耦合而言是如此。另一个好处是，这种机制不需要任何特殊的先决条件即可发挥作用，并且在相当现实的条件下它将占主导地位，”沃尔科夫博士解释说。

韩教授预测，“基于固体材料的基本物理常数，乐观估计该机制可达到的临界温度可达100开尔文左右。”

未来的工作

“首先，潜在的影响是提高超导转变温度。超导性也敏感地取决于电子的特性;因此，为了实现强耦合，我们建议使用专门为电子设计的超晶格，”沃尔科夫博士解释说。

研究人员提到，从理论上讲，下一步将寻找超导耦合强度的最佳状态。研究人员还希望实验人员能够探索具有较大二次电子-声子耦合的超晶格材料。

沃尔科夫博士说： “从实验上讲，通过图案化或利用扭曲材料之间的界面创建超晶格可能是实现我们预测的超导类型的一种有希望的途径。”

韩还指出，“从从头算中识别具有较大二次电子声子耦合的材料至关重要，因为这方面尚未得到系统的探索。”