高温铜氧化物超导体中的热解耦现象

《Materials Today Physics》：Thermal decoupling in high- T c cuprate superconductors

AIMD模拟结合TDEP方法揭示YBCO中B1g和A1g声子异常与低温物理现象关联，证实Ba原子诱导的A1g声子软化是线性T电阻率、Uemura关系及超导窗口定量解释的关键机制。

　　

李成宇 | 崔宇珍 | 金英在 | 全英坤 | 宋东俊 | 金美英 | 李根道

韩国首尔国立大学高温超导体研究中心，首尔08826

章节摘要

方法

我们使用维也纳从头算（ab initio）模拟软件包（VASP）[23] [24]，并结合Nosé–Hoover恒温器[25] [26]进行了分子动力学（AIMD）模拟来控制温度。平面波赝势计算采用了超软赝势[27]，并在Perdew–Burke–Ernzerhof泛函[28]的广义梯度近似框架内进行。平面波基组的能量截止设置为400 eV。我们采用了Grimme等人提出的DFT-D3方法。

B_1g声子和A_g声子异常

我们在不同温度下进行了AIMD模拟，温度从300 K降至20 K，并使用TDEP方法获得了温度依赖的声子色散。图1(a)显示了YBCO中B_1g声子的频率随温度的变化情况。B_1g声子模式是CuO₂平面中氧原子的垂直于平面的振动模式。我们的模拟结果显示，B_1g声子的频率在温度从300 K降至150 K的过程中逐渐增加，在150 K附近下降得较为平缓。

讨论

我们模拟得到的解耦温度（K）与铜氧化物中热扩散率出现拐点的温度[59]以及线性T电阻率斜率发生变化的温度[60]相似。通常情况下，铜氧化物中的线性T电阻率会持续到更高的温度。最近的研究表明，这种线性T电阻率在200 K以上和以下是由不同的机制引起的[3] [59]。

总结

我们通过AIMD模拟和TDEP方法成功再现了铜氧化物超导体中的B_1g声子异常，并发现了低温下Ba原子引起的A_g声子的严重异常。我们观察到，YBCO中的热解耦现象是由于Ba原子导致Ag声子软化所致，这种热解耦在定量层面上解释了之前未解决的线性T电阻率、Uemura关系以及超导峰值的谜团。

未引用参考文献

[75]

CRediT作者贡献声明

李成宇：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析与整理。 崔宇珍：实验研究、数据分析与整理。 金英在：数据分析与整理。 全英坤：撰写稿件、审稿与编辑、实验研究。 宋东俊：撰写稿件、审稿与编辑、实验研究。 金美英：撰写稿件、审稿与编辑。 李根道：撰写初稿、审稿与编辑、实验研究、数据分析与整理、概念构建、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

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致谢

作者感谢Jan Zaanen、Paul C. W. Chu、Liangzi Deng、Zhifeng Ren和Philip Kim的有益讨论。G.-D.L.感谢韩国科学技术院超级计算中心（KSC-2022-CHA-0013和KSC-2024-CHA-0015）以及韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号RIAM NRF-RS-2024-00416976）提供的支持。S.L.感谢韩国政府的财政支持。