[論文レビュー] Creating superconductivity in WB2 through pressure-induced metastable planar defects

Jinhyuk Lim, Ajinkya C. Hire+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、WB2における超伝導性が構造的相転移を経由するのではなく、圧力誘発の不安定な平面欠陥——特に積層欠陥とタウン境界——によって誘発されることを示している。超伝導性は50 GPaを超えると急激に現れ、91 GPaで最大臨界温度17 Kに達するが、主相であるhP12相は構造的に安定のまま保たれている。これは、同期放射X線回折（XRD）と理論的計算により、欠陥を有するhP3に類似した領域における電子-格子励振子結合が確認されたことによる。

ABSTRACT

High-pressure electrical resistivity measurements reveal that the mechanical deformation of ultra-hard WB2 during compression induces superconductivity above 50 GPa with a maximum superconducting critical temperature, Tc of 17 K at 90 GPa. Upon further compression up to 190 GPa, the Tc gradually decreases. Theoretical calculations show that electron-phonon mediated superconductivity originates from the formation of metastable stacking faults and twin boundaries that exhibit a local structure resembling MgB2} (hP3, space group 191, prototype AlB2). Synchrotron x-ray diffraction measurements up to 145 GPa} show that the ambient pressure hP12 structure (space group 194, prototype WB2) continues to persist to this pressure, consistent with the formation of the planar defects above 50 GPa. The abrupt appearance of superconductivity under pressure does not coincide with a structural transition but instead with the formation and percolation of mechanically-induced stacking faults and twin boundaries. The results identify an alternate route for designing superconducting materials.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるWB2の超伝導性の起源を解明すること、特に常圧下で低Tcが報告されているという矛盾する先行研究を踏まえて。
• 熱力学的に安定なhP12相がほとんどTcを持たないと予測されるにもかかわらず、圧力下で17 Kという高いTcが観測されるというパラドックスを解明すること。
• 超伝導性の発現が構造的相転移に起因するのか、それとも欠陥を介したメカニズムに起因するのかを特定すること。
• 積層欠陥やタウン境界といった不安定な平面欠陥が、電子-格子励振子媒介超伝導性を可能にする役割を果たすかを同定すること。
• 非超伝導性材料に圧力下での欠陥工学を適用することで、超伝導性を設計的に創出する新規な設計原理を確立すること。

提案手法

• 4端子プローブ方式を用いたダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた高圧電気抵抗測定により、1.8 Kまで187 GPaまでの圧力範囲で抵抗率を測定した。
• 同期放射X線回折（XRD）を用いて145 GPaまで構造的変化をモニタリングし、常圧下のhP12相（P6₃/mmc）が圧力上昇に伴いc/a比が単調に増加するも、依然として存在することを確認した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、競合する相（hP12、hR6、hP3）のエンタルピーと電子構造を計算し、不安定な積層欠陥およびタウン境界構造を含めた。
• Quantum Espressoを用いた線形応答法により電子-格子励振子結合を計算し、非摂動的Eliashberg方程式を解いてhP3に類似した欠陥構造のTcを予測した。
• ボンデュール・ヴァン・デル・ポーウ法を用いて、測定された抵抗から抵抗率を推定した。これは、平面内等方的挙動を仮定し、試料厚さ（約10 µm）と幾何形状を用いた。
• ルビー蛍光法による圧力キャリブレーションを用いて低温下での圧力を決定し、冷却に伴うわずかな圧力シフトに対しても補正を加えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的相転移が観察されないにもかかわらず、なぜWB2は50 GPaを超えると超伝導性が急激に現れるのか？
• RQ2 常圧下のhP12相がTc < 1 Kと予測されるにもかかわらず、91 GPaで高いTc（約17 K）が観測される原因は何か？
• RQ3 WB2における不安定な平面欠陥（積層欠陥やタウン境界）が、MgB2構造に類似した超伝導性を有する可能性は何か？
• RQ4 高圧下における欠陥を有するhP3に類似した領域の電子的および振動的性質は、安定なhP12相と比べてどのように異なるか？
• RQ5 観測された超伝導性は真の相転移に起因するのか、それとも透過的な欠陥ネットワークに起因するのか？

主な発見

• WB2における超伝導性は50 GPaを超えると急激に現れ、91 GPaで最大Tc 17 Kに達し、187 GPaまでに徐々に低下する。
• 同期放射XRDにより、常圧下のhP12相（P6₃/mmc）が145 GPaまで存続し、c/a比が単調に増加するが、構造的相転移は観察されない。
• DFT計算により、安定なhP12相は全圧力範囲でTc < 1 Kであると確認されたが、不安定なhP3相（AlB2型）は25–40 KのTcを予測した。
• 理論的分析により、積層欠陥およびタウン境界が局所的にhP3に類似した構造を安定化させ、電子-格子励振子結合および超伝導性を可能にする鍵であると特定された。
• 超伝導性の発現は、バルク的構造変化ではなく、これらの平面欠陥の透過的ネットワークの形成と相関しており、急激な転移を説明する。
• 本研究は、非超伝導性材料に圧力下での欠陥工学を適用することで、安定相転移を経ずに超伝導性を創出する新規ルートを確立した。