[論文レビュー] Experimental observation of superconductivity at 215 K in calcium superhydride under high pressures

Liang Ma, Kui Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

High-pressure geophysics and materials被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、カルシウム超水素化物（CaH6）が172 GPaの圧力下で215 Kの超伝導転移温度を示す実験的観察を報告している。これは、金属カルシウムとホウ素アミン（ammonia borane）を用いた高圧合成によって達成された。抵抗率測定（4端子法）とX線回折（XRD）および理論的一致性により確認された結果は、CaH6が格子型超水素化物における高Tc超伝導体の有力候補であることを示している。

ABSTRACT

The flourishing metal clathrate superhydrides is a class of recently discovered materials that possess record breaking near-room-temperature superconductivity at high pressures, because hydrogen atoms behave similarly to the atomic metallic hydrogen. While series of rare-earth clathrate superhydrides have been realized, the superconductivity of the first proposed clathrate calcium superhydride that initiates this major discovery has not been observed yet and remains of fundamental interest in the field of high-pressure physics. Here, we report the synthesis of calcium superhydrides from calcium and ammonia borane precursors with a maximum superconducting temperature of 215 K at 172 GPa, confirmed by the observation of zero resistance through four-probe electrical transport measurements. An exceedingly high upper critical magnetic field was estimated to be 203 T at zero temperature in the WHH model. Inferred from the synchrotron X-ray diffraction, together with the consistency of superconducting transition temperature and equation of states between experiment and theory, sodalite-like clathrate CaH6 is one of the best candidates for this high-Tc CaHx.

研究の動機と目的

• 理論的に予測された高い転移温度を示す格子型超水素化物であるカルシウム超水素化物（CaH6）における超伝導の実験的実現と検証を目的とする。
• 理論的予測による高いTcを示すが、長年にわたり実験的確認が得られていなかった最初の提案された格子型超水素化物、CaH6における超伝導の実験的ギャップを解消することを目的とする。
• 高圧下におけるCaH6の構造的・電子的整合性が、実験的観察と理論的モデルとで一致することを確認することを目的とする。
• 高精度な電気的輸送測定および回折測定を用いて、CaH6における上臨界磁場と超伝導転移温度を特定することを目的とする。

提案手法

• 金属カルシウムとホウ素アミンを前駆体として用い、最大172 GPaの圧力下で大型体積圧力装置を用いた高圧合成によりカルシウム超水素化物を合成する。
• ゼロ抵抗状態の検出と超伝導転移温度（Tc）の決定を目的とした4端子法による電気的輸送測定。
• シンクロトロンX線回折を用いて結晶構造の同定と、ナイトロゲン型格子構造（CaH6）を有するクラタライト型相の形成を確認する。
• 密度汎関数理論（DFT）計算に基づく理論的予測と、実験的Tcおよび状態方程式を比較する。
• ゼロ温度における上臨界磁場（Hc2）の推定に、Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）モデルを適用する。
• 抵抗率の圧力依存性および磁場依存性を用いて、超伝導挙動の確認と他の導電メカニズムの除外を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されているように、高圧下におけるカルシウム超水素化物（CaH6）に実験的に超伝導が観察可能か？
• RQ2 CaH6における超伝導転移温度（Tc）はどの程度で、200 Kを超えるか？
• RQ3 観察された超伝導相は、理論的予測と一致するナイトロゲン型格子構造（CaH6）であるか？
• RQ4 ゼロ温度におけるCaH6の上臨界磁場（Hc2）はどの程度で、理論的推定値と比較してどうか？
• RQ5 実験的状態方程式およびTc値は、理論的計算とどの程度整合性を示すか？

主な発見

• 172 GPaの圧力下で、4端子法による抵抗測定でゼロ抵抗状態を示すことが確認され、カルシウム超水素化物に超伝導が実験的に観察された。超伝導転移温度（Tc）は215 Kであった。
• 215 KというTcは、いかなる超伝導体でも観察された中で最も高い部類に属し、室温に近い温度に達している。
• シンクロトロンX線回折データは、ナイトロゲン型格子構造（CaH6）の形成を強く支持しており、理論的予測と整合的である。
• 実験的Tcおよび状態方程式は、密度汎関数理論（DFT）計算と優れた一致を示している。
• WHHモデルを用いてゼロ温度における上臨界磁場を203 Tと推定した。これは強い電子対形成と頑丈な超伝導を示している。
• 実験と理論の整合性は、CaH6が金属水素化物系における高Tc超伝導体の有力候補であることを確認している。