[論文レビュー] Direct Meissner Effect Observation of Superconductivity in Compressed H2S

Xiaoli Huang, Xin Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2016

High-pressure geophysics and materials参考文献 28被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、149 GPaで183 Kの臨界温度（Tc）を示す超伝導性を確認する、高圧下の水素化ヒ素（H2S）におけるメイソン効果の最初の直接観測を報告する。イン・サイトの交流磁化率測定を用いて、117 GPaで超伝導性への急激な転移を実証し、理論的予測を裏付け、H2Sが水素豊富な水素化物における高Tc超伝導体であることを確立した。

ABSTRACT

Recently, an extremely high superconducting temperature (Tc) of ~200 K has been reported in the sulfur hydride system above 100 GPa. This result is supported by theoretical predictions and verified experimentally. The crystal structure of the superconducting phase was also identified experimentally, confirming the theoretically predicted structure as well as a decomposition mechanism from H2S to H3S+S. Even though nuclear resonant scattering has been successfully used to provide magnetic evidence for a superconducting state, a direct measurement of the important Meissner effect is still lacking. Here we report in situ alternating-current magnetic susceptibility measurements on compressed H2S under high pressures. It is shown that superconductivity suddenly appears at 117 GPa and that Tc reaches 183 K at 149 GPa before decreasing monotonically with a further increase in pressure. This evolution agrees with both theoretical calculations and earlier experimental measurements. The idea of conventional high temperature superconductivity in hydrogen-dominant compounds has thus been realized in the sulfur hydride system under hydrostatic pressure, opening further exciting perspectives for possibly realizing room temperature superconductivity in hydrogen-based compounds.

研究の動機と目的

• 圧縮されたH2Sにおけるメイソン効果の直接実験的証明を提供すること。これは超伝導性の重要な特徴である。
• 強力な理論的および構造的根拠があるにもかかわらず、長年にわたり直接的な磁気的証拠が欠落していた高圧H2Sにおける超伝導性の問題を解決すること。
• 水素の静水圧を増加させた条件下での超伝導転移温度（Tc）の変化を測定すること。
• 高圧下でH2Sの分解によって生成されるH3S相の安定性と超伝導性を確認すること。

提案手法

• H2S試料を立方ブリケットプレスで圧縮し、最大150 GPaの圧力までイン・サイトの交流磁化率測定を実施した。
• ヘリウムを圧力媒体として用いることで、静水圧状態を確保した高圧実験を実施した。
• 磁気応答を温度および圧力の関数としてモニタリングし、メイソン効果の特徴である抗磁性スクリーニングの発生を検出するための測定を行った。
• 交流磁化率データにおける抗磁性信号の発生開始点から、超伝導転移温度（Tc）を抽出した。
• 実験結果を理論的予測およびH2SとH3Sに関する以前の実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮されたH2Sは直接的なメイソン効果を示すか。これにより、間接的証拠を超えた超伝導性の確認が可能になるか。
• RQ2 静水圧圧縮下におけるH2Sの超伝導転移の正確な圧力および温度依存性は何か。
• RQ3 観測されたTcは、水素豊富な水素化物に対する理論的予測とどのように一致するか。
• RQ4 H2Sにおける超伝導相は、理論で予測されたH3S構造と整合的か。また、以前の実験で観察されたものと一致するか。

主な発見

• 圧縮H2Sにおいて、117 GPaで抗磁性応答の急激な発生を示す、直接的なメイソン効果が観測された。
• 超伝導転移温度（Tc）は149 GPaで最大の183 Kに達し、さらに圧力を上昇させると低下した。
• 観測されたTcの変化は、理論的計算およびH2Sに関する以前の実験結果と一致した。
• 超伝導相はH3S構造と整合的であり、高圧下でH2Sが分解して生成されたものである。
• 水素を主体とする化合物における従来型超伝導性が、高圧下で非常に高いTcを達成できることを確認した。
• 本研究は、今後の水素系材料における室温超伝導性の探索に、重要な基準を確立した。