Главная / Научные конференции / Технические и физико-математические науки / XXIII / Статья
Статья:

Потенциально высокотемпературная сверхпроводимость в K1 – xB6: предсказание из первых принципов

Конференция: XXIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»

Секция: Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика

Выходные данные
Ишмухаметова К.Ф., Гайнуллина Н.Р. Потенциально высокотемпературная сверхпроводимость в K1 – xB6: предсказание из первых принципов // Научный форум: Технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам XXIII междунар. науч.-практ. конф. — № 4(23). — М., Изд. «МЦНО», 2019. — С. 61-66.
К условиям публикации Скачать сборник
Конференция завершена
Мне нравится

XXIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»

на печатьскачать .pdfподелиться

Потенциально высокотемпературная сверхпроводимость в K1 – xB6: предсказание из первых принципов

Ишмухаметова Карина Фаритовна
Гайнуллина Наталья Романовна

 

POTENTIALLY HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY IN K1 − xB6: A FIRST-PRINCIPLES PREDICTION

 

Karina Ishmukhametova

student, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

Natalia Gaynullina

candidate of Technical Sciences, associate Professor, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

 

Аннотация. На основе расчетов из первых принципов были получены электронная структура, динамика решетки и сверхпроводящие свойства для KB6. Стехиометрические KB6 имеют слабое электрон-фононное взаимодействие. Полученная сила электрон-фононного взаимодействия λ и температура сверхпроводящего перехода TC для KB6 составляет всего 0,22 и 0,14 К (μ * = 0,1) соответственно. Однако дырочное легирование может значительно увеличить прочность электрон-фононного взаимодействия для KB6. Для K1 – xB6 сила связи электронно-фотонной λ и TC может достигать 1,13 и 65,3 K соответ­ственно. Это указывает на то, что K1 – xB6 является потенциально высокотемпературным сверхпроводником.

Abstract. Based on calculations from first principles, the electronic structure, lattice dynamics, and superconducting properties for KB6 were obtained. Stoichiometric KB6 have a weak electron-phonon interaction. The obtained force of the electron-phonon interaction λ and the temperature of the superconducting transition TC for KB6 is only 0.22 and 0.14 K (μ * = 0.1), respectively. However, hole doping can significantly increase the strength of the electron-phonon interaction for KB6. For K1 – xB6, the coupling strength of the electron-photon λ and TC can reach 1.13 and 65.3 K, respectively. This indicates that K1 – xB6 is a potentially high-temperature superconductor.

 

Ключевые слова: сверхпроводники; электрон-фононные взаимо­действия; первые принципы.

Keywords: superconductors; electron-phonon interactions; first-principles.

 

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости около 40 K в MgB2 [1] возобновило интерес к поиску электрон-фононных (ЭФ) проводников с боридами. Высокое значение TC в MgB2 обусловлено сильной связью между электронами в σ-состояниях и плоскими колеба­тельными модами колебаний от светового элемента B [2–5]. Второе по величине значение TC в боридах составляет 7,2 К в сильнопарном сверх­проводнике YB6. Экспериментальные [6] и теоретические [7, 8] исследо­вания показали, что спаривающиеся электроны в основном опосредованы низколежащими Y-фононными колебаниями. Однако, согласно теории сверхпроводимости BCS, более тяжелые атомы Y препятствуют усилению TC. Значения TC могут возрасти для других гексаборидов более легких металлов.

По сравнению с Y калий K имеет меньшую атомную массу. KB6 – это один из гексаборидов металлов с нечетным числом валентных электронов на элементарную ячейку, такой же, как у YB6. Ожидалось, что KB6 будет металлическим, однако он обладает плохой проводи­мостью [9]. Предположительно, низкая проводимость в KB6 получилась из-за возникновения локализации электронов из локальных ЭФ взаимодействий, приводящих к биполяронам [10]. Исходя из этого, синтезировали порошкообразное анизотропное распределение вакансии K-местоположения KB6, и была упомянута возможность управления электронной структурой для сверхпроводимости путем введения дефицита K-местоположения [11]. Однако это не было основано на количественных расчетах фононной дисперсии и связи ЭФ.

Расчетная часть.

Наши расчеты проводились в приближении локальной плотности [12] к теории функционала плотности [13], как это реализовано в коде ABINIT [14]. Полностью электронные потенциалы заменялись псевдо­потенциалами, сохраняющими норму, как это было сгенерировано в схеме Трулье – Мартинса [15]. Легирование имитировалось в приближе­нии жестких зон. Плоская волна обрезалась при значении равном 70 Ry, и для полной структурной релаксации интегрирование в k-пространстве (электроны) аппроксимировалось суммированием по равномерной сетке 8 × 8 × 8 в обратном пространстве [16]; гораздо более точная (16 × 16 × 16) сетка использовалась для оценки электронной плотности состояний и ЭФ. Структурная оптимизация была выполнена с исполь­зованием минимизации Бройдена – Флетчера – Гольдфарба – Шанно [17], модифицированной для учета как полной энергии, так и градиентов. Колебательные свойства рассчитывались с использованием теории возмущений с функционалом плотности [18–20]. Динамические матрицы и ширины линий ЭФ рассчитывались на равномерной сетке 4 × 4 × 4 в q-пространстве; дисперсии фононов и плотности состояний фононов были затем получены с помощью фурье-интерполяции динамических матриц, а спектральная функция Элиашберга α2F (ω) и полная сила связи ЭФ λ были рассчитаны путем суммирования по отдельным ширинам линий и фононам. Метод тетраэдра использовался для интегрирования поверхности Ферми для ЭФ величин.

 

Рисунок 1. Электронная ленточная структура KB6. Уровень Ферми (EF) установлен на ноль

 

Таким образом, мы представляем исследование потенциальной сверхпроводимости KB6 и K1 − xB6 на основе расчетов из первых прин­ципов. ЭФ связь в KB6 в основном происходит из колебательных мод B. Полученная сила сцепления ЭФ λ и температура TC сверхпроводящего перехода для KB6 составляет всего 0,22 и 0,14 К соответственно, что указывает на то, что это сверхпроводник с низким TC. Однако для KB6(-0,1) прогнозируется, что λ и TC составят 1,13 и 65,3 К соответственно. Следовательно, K1 − xB6 является потенциально высокотемпературной сверхпроводящей.

 

Список литературы: 
1. Nagamatsu J. et al. Superconductivity at 39 K in magnesium diboride //nature. – 2001. – Т. 410. – №. 6824. – С. 63.
2. An J.M., Pickett W.E. Superconductivity of MgB 2: covalent bonds driven metallic // Physical Review Letters. – 2001. – Т. 86. – №. 19. – С. 4366.
3. Bohnen K.P., Heid R., Renker B. Phonon dispersion and electron-phonon coupling in MgB 2 and AlB 2 //Physical review letters. – 2001. – Т. 86. – № 25. – С. 5771.
4. Kortus J.J. Kortus, II Mazin, KD Belashchenko, VP Antropov, and LL Boyer, Phys. Rev. Lett. 86, 4656 (2001) // Phys. Rev. Lett. – 2001. – Т. 86. – С. 4656.
5. Choi H.J. et al. First-principles calculation of the superconducting transition in MgB 2 within the anisotropic Eliashberg formalism // Physical Review B. – 2002. – Т. 66. – № 2. – С. 020513.
6. Lortz R. et al. Superconductivity mediated by a soft phonon mode: Specific heat, resistivity, thermal expansion, and magnetization of Y B 6 // Physical Review B. – 2006. – Т. 73. – № 2. – С. 024512.
7. Schell G. et al. Electronic structure and superconductivity in metal hexaborides // Physical Review B. – 1982. – Т. 25. – № 3. – С. 1589.
8. Xu Y. et al. First-principles study of the lattice dynamics, thermodynamic properties and electron-phonon coupling of Y B 6 // Physical Review B. – 2007. – Т. 76. – № 21. – С. 214103.
9. Naslain R., Etourneau J., Hagenmuller P. Alkali metal borides //Boron and refractory borides. – Springer, Berlin, Heidelberg, 1977. – С. 262-292.
10. Ammar A. et al. Investigation of the electronic and structural properties of potassium hexaboride, KB6, by transport, magnetic susceptibility, EPR, and NMR measurements, temperature-dependent crystal structure determination, and electronic band structure calculations // Inorganic chemistry. – 2004. – Т. 43. – № 16. – С. 4974-4987.
11. Katsura Y. et al. On the possibility of MgB2-like superconductivity in potassium hexaboride //Physica C: Superconductivity and its applications. – 2010. – Т. 470. – С. S633-S634.
12. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas // Physical review. – 1964. – Т. 136. – № 3B. – С. B864.
13. Kohn W., Sham L.J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects // Physical review. – 1965. – Т. 140. – № 4A. – С. A1133.
14. Gonze X.X. Gonze, B. Amadon, P. Anglade, J.-M. Beuken, F. Bottin, P. Boulanger, F. Bruneval, D. Caliste, R. Caracas, M. Côté, T. Deutsch, L. Genovese, P. Ghosez, M. Giantomassi, S. Goedecker, D. Hamann, P. Hermet, F. Jollet, G. Jomard, S. Leroux, M. Mancini, S. Mazevet, M. Oliveira, G. Onida, Y. Pouillon, T. Rangel, G.-M. Rignanese, D. Sangalli, R. Shaltaf, M. Torrent, M. Verstraete, G. Zerah, and J. Zwanziger, Comput. Phys. Commun. 180, 2582 (2009) // Comput. Phys. Commun. – 2009. – Т. 180. – С. 2582.
15. Troullier N., Martins J.L. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations // Physical review B. – 1991. – Т. 43. – № 3. – С. 1993.
16. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Physical review B. – 1976. – Т. 13. – № 12. – С. 5188.
17. Schlegel H.B. Optimization of equilibrium geometries and transition structures // Ab Initio Methods in Quantum Chemistry. – 1987. – № Part I. – С. 249-286.
18. Baroni S. et al. Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory // Reviews of Modern Physics. – 2001. – Т. 73. – № 2. – С. 515.
19. Gonze X. First-principles responses of solids to atomic displacements and homogeneous electric fields: Implementation of a conjugate-gradient algorithm // Physical Review B. – 1997. – Т. 55. – № 16. – С. 10337.
20. Gonze X., Lee C. Dynamical matrices, Born effective charges, dielectric permittivity tensors, and interatomic force constants from density-functional perturbation theory // Physical Review B. – 1997. – Т. 55. – № 16. – С. 10355.

Похожие статьи

Больше статей