[論文レビュー] Enhancement of the superconducting critical temperature realized in the La-Ce-H system at moderate pressures

Wuhao Chen, Xiaoli Huang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CeをドーピングしたLaHxが、95–130 GPaの圧力範囲で三元系の六方晶La-Ce-H相を安定化させることを示しており、中程度の圧力下で176 Kの超伝導転移温度（Tc）を達成した。これは二元系LaHxよりも100 K高い値であり、Hc2(0)は216 Tにまで extrapolated され、高Tc水素化物超伝導体分野における顕著な前進を示している。

ABSTRACT

Covalent and ionic polyhydrides have become the two main camps in searching for the high-temperature superconductors under pressure. They have been considered as important platforms for exploring ternary or multiple hydrides in order to further increase the Tc or decrease the stabilization pressure. In this work, we successfully synthesized ternary hexagonal La-Ce polyhydrides stable in the pressure range of 95-130 GPa by laser-heating the La-Ce alloy (initial ratio La:Ce=2.5-3.5) in ammonia borane. Superconductivity at 176 K was strikingly preserved to about 100 GPa. The extrapolated upper critical field Hc2(0) reached 216 T at 100 GPa, the highest value among the synthesized polyhydrides. We also performed the contrast experiments and stabilized binary high-temperature superconducting LaHx with Tc-103 K at 78 GPa. In the pressure range of 95-130 GPa, the ternary hexagonal La-Ce-H system exhibits higher Tc than the binary La-H system, with the maximum difference of 100 K, and the compounds of both systems were synthesized at the same pressure and temperature conditions. These results clearly indicate that the discovered La-Ce-H system not only enriches the high-temperature superconducting hydrides but also realizes high-Tc at moderate pressures.

研究の動機と目的

• 実験的に達成可能な圧力範囲で、より高い超伝導転移温度（Tc）を実現するための三元系水素化物の可能性を調査すること。
• 二元系水素化物よりも低い圧力で、CeドーピングがLaHxに高Tc超伝導相を安定化させられるかを検討すること。
• 同一の合成条件下で、La-Ce-Hと二元系LaHxの超伝導特性を比較すること。
• 三元系の上臨界磁場（Hc2）を特定し、高磁場応用における可能性を評価すること。

提案手法

• 95–130 GPaの高圧下で、アンモニアボランを用いたLa-Ce合金（La:Ce = 2.5–3.5）のレーザー加熱により三元系La-Ce-H多水素化物を合成した。
• 超伝導転移を特定するために、in situ電気抵抗率および磁化率測定を実施した。
• 同一の圧力および温度条件下で二元系LaHxを安定化させるための対照実験を実施した。
• 圧力依存の抵抗率および磁化率データを用いて、Tcを抽出し、零温におけるHc2(0)をextrapolatedした。
• X線回折および理論的モデリングを用いて、La-Ce-H相の結晶構造と安定範囲を同定した。
• La-Ce-Hと二元系LaHxのTcおよびHc2(0)を比較し、Ceドーピングによる効果の向上を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の圧力下で、Ceドーピングが二元系LaHxよりも高いTcを持つ超伝導相を安定化できるか？
• RQ2 高圧下における三元系六方晶La-Ce-H相の安定範囲は何か？
• RQ3 La-Ce-Hの上臨界磁場Hc2(0)は、既知の他の高Tc水素化物と比較してどうなるか？
• RQ4 二元系LaHxが不安定化する圧力領域でも、La-Ce-Hの超伝導転移は継続するか？
• RQ5 La-Ce-H系で達成可能な最大Tcは何か？また、同一の合成条件下で二元系LaHxと比較してどうなるか？

主な発見

• 三元系六方晶La-Ce-H相が95–130 GPaの圧力範囲で合成・安定化され、超伝導性は100 GPaまで持続した。
• La-Ce-Hでは176 Kの超伝導転移温度Tcが観測され、これは同一条件下の二元系LaHx（Tc ≈ 76 K）よりも100 Kも高い。
• 100 GPaにおけるextrapolated上臨界磁場Hc2(0)は216 Tに達し、合成された多水素化物の中で最高の値となった。
• La-Ce-Hは95–130 GPaの全範囲で二元系LaHxよりも高いTcを示し、Ceドーピングによる安定化および特性向上効果を確認した。
• 対照実験により、78 GPaでTc ≈ 103 Kの二元系LaHxが安定化したことが確認され、比較のための基準が得られた。
• 本結果は、Ceドーピングが中程度圧力下で高Tc超伝導を実現可能にし、高Tc材料の範囲を拡大できることを示している。