[論文レビュー] Absence of high temperature superconductivity in hydrides under pressure

J. E. Hirsch, F. Marsiglio|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

High-pressure geophysics and materials参考文献 24被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、圧力下の炭素含有硫黄水素化物における高臨界温度超伝導の主張に反論し、磁場下での鋭い抵抗転移がタイプII超伝導体の挙動と整合しないと主張する。著者らは、報告されたギンツブルグ＝ランダウ係数および浸透深度が誤った解析に基づいていることを示し、抵抗転移に磁場誘起幅の拡大が観察されないことは、超伝導転移ではなく金属的パーコレーション転移を示している可能性が高いと示唆する。

ABSTRACT

The long-sought goal of room-temperature superconductivity has reportedly recently been realized in a carbonaceous sulfur hydride compound under high pressure, as reported by Snider et al. [1]. The evidence presented in that paper is stronger than in other similar recent reports of high temperature superconductivity in hydrides under high pressure [2-7], and has been received with universal acclaim [8-10]. Here we point out that features of the experimental data shown in Ref. [1] indicate that the phenomenon observed in that material is not superconductivity. This observation calls into question earlier similar claims of high temperature conventional superconductivity in hydrides under high pressure based on similar or weaker evidence [2-7].

研究の動機と目的

• スナイダーらが報告した圧力下の炭素含有硫黄水素化物における高臨界温度超伝導の実験的証拠を批判的に評価すること。
• 上記の研究で報告されたギンツブルグ＝ランダウ係数および浸透深度の解析に内在する欠陥を特定すること。
• 磁場下での抵抗転移が超伝導の証拠であると解釈することを疑問視すること。
• 観察された鋭い転移が、超伝導転移よりも金属的パーコレーション経路形成によるものであるとより妥当に説明できることを主張すること。
• 類似した弱い証拠に基づく他の水素化物系における高Tc超伝導の主張の妥当性を疑問視すること。

提案手法

• スナイダーら（2020年）の圧力下の水素化物における抵抗率と磁場依存性に関する実験データを再検討した。
• ローレンツ力による浸透深度の計算において、熱力学的臨界磁場 $H_c$ と上臨界磁場 $H_{c2}$ の誤用という深刻な誤りを特定した。
• ギンツブルグ＝ランダウ理論を用いて、$H_{c2}$ から期待されるコherence長 $\xi$ を推定し、$\xi = 2.3\,\text{nm}$ を得た。
• ローレンツ浸透深度の式 $\lambda(0) = \sqrt{m_e c^2 / (4\pi n_s e^2)}$ を用い、超伝導密度 $n_s$ とフェルミ速度を仮定して $\lambda(0)$ を推定した。
• 従来のおよび非常識なタイプII超伝導体（MgB2や銅酸化物）における既知の挙動と比較し、磁場下での抵抗転移幅の観察結果を評価した。
• 加熱サイクル中の抵抗の増加が、非超伝導的金属的パス形成の証拠として物理的に妥当であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下の炭素含有硫黄水素化物における報告された超伝導転移は、既知のタイプII超伝導体の挙動と整合しているか？
• RQ2 ギンツブルグ＝ランダウ係数 $\kappa$ およびローレンツ浸透深度 $\lambda(0)$ の値が、実験データから正しく導出されているか？
• RQ3 なぜ磁場下でも抵抗転移の幅が広がらないのか？これはタイプII超伝導体の普遍的期待と矛盾する。
• RQ4 観察された鋭い抵抗変化は、非超伝導的金属的パーコレーションメカニズムによって説明できるか？
• RQ5 本研究における実験的不審点は、他の水素化物系における高Tc超伝導の主張の妥当性をどの程度損なうか？

主な発見

• 報告された $\lambda(0) = 3.8\,\text{nm}$ はタイプミスである。著者自身の式から得られる正しい値は $1.6\,\text{nm}$ であるが、これは $H_c$ を $H_{c2}$ の代わりに誤って使用したために依然として誤りである。
• ギンツブルグ＝ランダウ式 $H_{c2} = \phi_0 / (2\pi \xi^2)$ を用いて $H_{c2} = 61.8\,\text{T}$ から $\xi = 2.3\,\text{nm}$ を正しく推定した。
• 従来の超伝導理論に基づく $\lambda(0)$ の推定値は $113\,\text{nm}$ であり、ギンツブルグ＝ランダウ係数 $\kappa \sim 50$ の下限が得られ、強力なタイプII超伝導体であることが示された。
• 図2bの抵抗転移には、磁場下でも幅の拡大が観察されず、これはタイプII超伝導体の普遍的挙動と矛盾する。
• MgB2と比較すると、$H/H_{c2} = 0.15$ における予想される相対的幅拡大 $\Delta T_c / T_c \sim 8.3\%$ は、水素化物データの観察幅よりも少なくとも50倍大きい。
• 加熱サイクル中の鋭い抵抗増加は、超伝導転移よりも金属的伝導パスの突然形成または途切れによるものであり、より妥当に説明できる。低温抵抗がゼロでないことも、超伝導性と矛盾する。