[論文レビュー] Absence of near-ambient superconductivity in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$

Xue Ming, Yingjie Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高温高圧下で合成された窒素ドーピングルタニウムヒ hydride (LuH₂±ₓNᵧ) について、その構造が以前の常温超伝導性の主張と一致することを確認した。300 K近辺に構造転移が観察されたが、6 GPaまでの圧力下で10 Kまで超伝導性は検出されず、この系に常温超伝導性が存在しないことを否定した。

ABSTRACT

Recently near-ambient superconductivity was claimed in N-doped lutetium hydride (ref. 1). This induces a worldwide fanaticism about the dream of room temperature superconductivity under low pressures. By using a high pressure and high temperature synthesis technique, we have successfully obtained the nitrogen doped lutetium hydride (LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$) with a dark-bluish color and a structure with the space group of $Fm\bar{3}m$ evidenced by x-ray diffraction. This structure is the same as that reported in ref. 1. The energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the existence of nitrogen in some areas of the samples. At ambient pressure, we witness a kink of resistivity and magnetization at about 300 K, which may correspond to a rearrangement of hydrogen/nitrogen atoms, namely a structural transition. However, by applying a pressure from 1 GPa to 6 GPa, we have seen a progressively optimized metallic behavior without showing superconductivity down to 10 K. Temperature dependence of magnetization shows a roughly flat feature between 100 and 320 K, and the magnetization increases with magnetic field at 100 K, all these are not expected for superconductivity at 100 K. Thus, we conclude the absence of near-ambient superconductivity in this nitrogen-doped lutetium hydride under pressures below 6 GPa.

研究の動機と目的

• 高水準の研究で報告された窒素ドーピングルタニウムヒ hydride (LuH₂±ₓNᵧ) の近常温超伝導性の主張を検証すること。
• 構造の正確性を保証するため、高圧・高温下で高品質なLuH₂±ₓNᵧ試料を合成すること。
• 圧力と温度を変化させた条件下での合成試料の電子的および磁気的性質を調査すること。
• 大気圧および最大6 GPaまでの中程度の圧力下で、超伝導性が継続するかどうかを特定すること。
• ヒドライド系における常温超伝導性に関する矛盾する報告を解消するために、再現可能な実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 高圧・高温固体状態合成法を用いて、暗い青緑色の窒素ドーピングルタニウムヒ hydride (LuH₂±ₓNᵧ) を合成した。
• X線回折により、元の主張で報告された立方晶Fm\bar{3}m構造と一致する構造が確認された。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）により、試料の局所領域における窒素の含有が確認された。
• 大気圧および最大6 GPaの圧力を印加した条件下で、10 Kから320 Kまでの電気抵抗率および磁化測定が実施された。
• 磁化率測定を、さまざまな磁場条件下で実施し、超伝導性の挙動を評価した。
• 300 K近辺での抵抗率および磁化データの異常から、構造転移が特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒素ドーピングルタニウムヒ hydride (LuH₂±ₓNᵧ) は、大気圧および最大6 GPaまでの圧力下で超伝導性を示すか？
• RQ2 LuH₂±ₓNᵧで観察された300 K近辺の抵抗率の異常は、どのような性質を示すか？
• RQ3 100–320 Kの範囲で観察された磁気的応答は、超伝導性の挙動を示唆するか？
• RQ4 制御された合成および測定条件下で、報告された近常温超伝導性は再現可能か？
• RQ5 ヒ素および窒素の配列の整列が、ヒドライド系の電子的性質に果たす役割は何か？

主な発見

• 合成されたLuH₂±ₓNᵧ試料は、元の主張と同一の立方晶Fm\bar{3}m構造を示し、構造の正確性が確認された。
• 大気圧下で300 K近辺に抵抗率の急峻な変化（kink）が観察され、水素および窒素原子の再配列を伴う構造転移を示唆した。
• 磁化測定では、100 Kから320 Kの間で温度依存性が平坦であり、超伝導性とは整合しない。
• 100 Kで外部磁場を印加すると磁化が増加するが、これは超伝導性とは矛盾する挙動である。
• 6 GPaまでの圧力下で10 Kまで超伝導転移は観測されず、圧力下での金属的挙動は最適化されたが、超伝導性は確認されなかった。
• EDSにより局所領域に窒素が存在することは確認されたが、いかなる測定設定でも超伝導性の証拠は得られなかった。