[論文レビュー] Decomposition of solid hydrogen bromide at high pressure

Defang Duan, Fubo Tian+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2015

High-pressure geophysics and materials参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、固体臭化水素（HBr）の高圧下での挙動を調査し、64 GPaを超えるとHBrがH₂BrおよびBr₂の新しい化学计量比化合物に分解することを明らかにした。研究では、H₂Br、H₃Br、H₄Br、H₅Br、H₇Brの5つの新しい安定な水素豊富相が同定され、240 GPaでそれぞれ12.1 Kおよび2.4 Kの転移温度（Tc）を示す超伝導性が予測された。

ABSTRACT

The stability of different stoichiometric H$_n$Br ($n$=1-7) compounds under pressure are extensively studied using density functional theory calculations. Five new energetically stable stoichiometries of H$_2$Br, H$_3$Br, H$_4$Br, H$_5$Br, and H$_7$Br were uncovered at high pressure. The results show that HBr is stable below 64 GPa, then decomposes into new compound H$_2$Br and Br$_2$ molecular crystal. For H$_2$Br and H$_3$Br compounds, they were found to become stable above 30 GPa and 8 GPa, respectively. In addition, we accidentally discovered the triangular H$_3^+$ species in H$_5$Br compounds at 100 GPa. Further electron-phonon coupling calculations predicted that hydrogen-rich H$_2$Br and H$_4$Br compounds are superconductors with critical temperature of superconductivity $T_c$ of 12.1 K and 2.4 K at 240 GPa, respectively.

研究の動機と目的

• 極限条件下における化学计量比HnBr化合物（n=1–7）の高圧相安定性を調査すること。
• H–Br系においてHBrを越える新たなエネルギー的に安定な水素豊富相を同定すること。
• HBrの圧力増加に伴う電子的および構造的変化、特にその分解経路を解明すること。
• 電子-フォノン結合計算を用いて、新たに予測された水素豊富相の超伝導可能性を評価すること。
• 高圧H–Br化合物に、H₃⁺などの新しい多原子水素種（例えばポリヘドナルまたはイオン性水素種）が出現するかを解明すること。

提案手法

• DFT計算を用いて、さまざまな圧力下でのHnBr化合物（n=1–7）の熱力学的安定性を評価した。
• 進化的な結晶構造予測を用いて、各HnBr化学 Stoichiometryに対応する低エネルギー結晶構造を同定した。
• 電子-フォノン結合計算を実施し、水素豊富相における超伝導転移温度（Tc）を推定した。
• 電子構造および結合特性の分析を通じて、100 GPaでH₅Brに存在する新規種であるH₃⁺の形成を理解した。
• 圧力下での相転移および分解反応を、エネルギー障壁解析を用いて評価した。
• McMillan式を適用して、電子-フォノン結合パラメータからTcを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HnBr（n=1–7）の安定な化学计量比相は、高圧下でどのようなものか？
• RQ2 HBrはどの圧力で新しい化合物に分解し、その生成物は何か？
• RQ3 H₂Br、H₃Brなどの水素豊富相は、どの圧力でエネルギー的に安定化するのか、その閾値は何か？
• RQ4 高圧H–Br化合物にH₃⁺やその他の多原子水素種が出現するか？
• RQ5 高圧下で予測された水素豊富相H₂BrおよびH₄Brの超伝導転移温度（Tc）は、それぞれどの程度か？

主な発見

• HBrは64 GPa未満では安定であるが、この圧力を超えるとH₂BrおよびBr₂分子性結晶に分解する。
• H₂Brは30 GPa以上で安定化し、H₃Brは8 GPa以上で安定化することから、圧力上昇に伴い水素豊富相の安定化が進行することが示された。
• H₂Br、H₃Br、H₄Br、H₅Br、H₇Brの5つの新しい安定な化学 Stoichiometryが高圧下で同定され、100 GPaでH₅Brに三角形のH₃⁺種が存在することが判明した。
• 電子-フォノン結合計算により、240 GPaにおけるH₂BrのTcが12.1 Kと予測され、強い超伝導性を示す可能性が示された。
• H₄Brも240 GPaで超伝導性を示すと予測され、Tcは2.4 Kであるが、H₂Brに比べて転移温度が低かった。
• 100 GPaにおけるH₅BrにH₃⁺が形成されることから、高圧H–Br系に新規の水素結合またはイオン的構造が存在することが示唆された。