[論文レビュー] Comment on "Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system" (A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73 (2015))

L. S. Mazov|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

High-pressure geophysics and materials被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、高圧状態下のヒ素化水素における203 Kの抵抗率転移が超伝導的であるという解釈に挑戦し、代わりに磁気的（反強磁性スピン密度波：AF SDW）相転移であると提案する。著者らは、高Tc銅酸化物と同様の類似性およびKeldysh-Kopaev理論（電子-電子および電子-正孔対の共存）に基づき、真の超伝導転移温度ははるかに低い（約40 K）ものであると主張している。

ABSTRACT

It is demonstrated that resistive transition at 203 K observed in metallic sulfur hydride system at high pressure can be magnetic (rather than superconducting (SC)) in nature. The onset temperature of genuine superconducting transition in these compounds appears to be essentially lower on temperature. The normal-state magnetic (AF SDW) phase transition preceding a superconducting one (Tc < Tm) is characteristic for HTSC cuprates, pnictides (selenides) and organic superconductors. The resistive drop is provided by disappearing of magnetic (AF spin fluctuation) scattering of conduction electrons and hence formation of AF SDW order in the normal state. The formation of such modulated magnetic structure in sulfur hydride seems to be possible because of magnetic properties of metallic hydrogen at high densities (in analogy with iron). Such unconventional picture with two successive phase transitions: magnetic (AF SDW) and only then superconducting one is naturally described by Keldysh-Kopaev theory of dielectric (metal-insulator) phase transition in systems with coexistence of superconducting (e-e) and dielectric (e-h)pairings.

研究の動機と目的

• 高圧下のヒ素化水素における203 Kの抵抗率転移が超伝導的であると解釈されたことの再評価。
• 急激な抵抗率低下および外部磁場による転移温度のシフトが、超伝導性の十分な証拠であると仮定することの挑戦。
• 観察された転移が、超伝導性の前段階としての通常状態における磁気的（反強磁性SDW）相転移であると提案。
• Keldysh-Kopaev理論（誘電体-金属転移）を応用し、ヒ素化水素における二つの連続的相転移の順序を説明。
• 真の超伝導転移開始温度の推定。203 Kよりも顕著に低いと主張。

提案手法

• Drozdovら（2015）の抵抗率データを分析し、203 Kにおける抵抗率低下が磁気的（反強磁性スピン揺らぎ）散乱の消失に起因する可能性を特定。
• H2SおよびD2Sにおける抵抗率挙動を、フォノン散乱のBloch-Gruneisen（BG）則と比較。BG曲線を通常状態抵抗率の基準として用いる。
• 電子-電子対形成（e-e）および電子-正孔対形成（e-h）が共存するKeldysh-Kopaev理論を適用し、相転移の順序（T_Dで誘電体的（AF SDW）転移、その後T_c < T_Dで超伝導転移）を説明。
• ヒ素化水素における高いデバイ温度（~5000 K）を根拠に、低温でのフォノン散乱が小さいことから、抵抗率の尾部との交差が明確に解明されにくいことを正当化。
• BG曲線と全抵抗率の尾部との交点を特定することで、真の超伝導転移開始温度を推定し、T_c^onset ~ 40 Kを算出。
• 高Tc銅酸化物、鉄系超伝導体、有機超伝導体との類似性を示し、同様の二段階相転移（AF SDWの次にSC）が観察されることを援用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒ素化水素における203 Kの抵抗率転移は、真に超伝導的であるのか、それとも磁気的起源である可能性があるか？
• RQ2 ヒ素化水素における超伝導性の前段階としての磁気的（AF SDW）相転移の存在を支持する証拠は何か？
• RQ3 Keldysh-Kopaev理論（共存するe-eおよびe-h対形成）は、高圧ヒ素化水素における観察された抵抗率挙動をどのように説明できるか？
• RQ4 低温における抵抗率測定で、超伝導転移開始温度を正確に特定することが困難な理由は何か？
• RQ5 金属的水素の磁気的性質が、ヒ素化水素におけるAF SDW形成をどのように可能にするか？

主な発見

• ヒ素化水素における203 Kの抵抗率転移は、超伝導的ではなく、磁気的（AF SDW）相転移によるものであると提案されている。
• H2Sにおける真の超伝導転移開始温度は約40 Kと推定され、報告された203 Kよりも顕著に低い。
• 203 Kにおける観察された抵抗率低下は、超伝導ギャップの開口ではなく、反強磁性スピン揺らぎ散乱の消失に起因するとされる。
• 二つの相転移（AF SDWの次に超伝導）の順序は、Keldysh-Kopaev理論（誘電体-金属転移）と整合的である。
• 重水素ドーピングされたH2Sにおける抵抗率挙動は高温で上昇を示すが、これはドーピング不足の銅酸化物や鉄系超伝導体の特徴であり、磁気的相転移解釈を支持する。
• これらの化合物における高いデバイ温度（~5000 K）は、低温でのフォノン散乱が小さいことを意味し、真の超伝導転移開始温度の正確な特定を複雑にする。