[論文レビュー] Hidden Granular Superconductivity Above 500K in off-the-shelf graphite materials

Raphael Rousset-Zenou, Samar Layek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Graphite, nuclear technology, radiation studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、市販のグラファイト材料、特に高配向熱解ホイル炭素（HOPG）および商業用フレキシブルグラファイトガスケットにおいて、500 K 以上の温度で微細な超伝導性が示唆される。磁化ヒステリシスループからの抗磁性および強磁性成分の分離により、超伝導に類似した挙動が抽出され、臨界転移温度 Tc ≈ 550 K ± 50 K が外挿され、抵抗率測定による高温での転移が裏付けられている。

ABSTRACT

It has been reported that graphite hosts room temperature superconductivity. Here we provide new results that confirm these claims on different samples of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and commercial flexible graphite gaskets (FGG). After subtraction of the intrinsic graphite diamagnetism, magnetization measurements show convoluted ferromagnetism and superconducting-like hysteresis loops. The ferromagnetism is deconvoluted by fitting with a sigmoidal function and subtracting it from the data. The obtained superconducting-like hysteresis loops are followed to the highest available temperature, 400K. The extrapolation of the decrease of its moment width with temperature indicates a transition temperature T$_{c}$$\sim$ 550K$\pm$50K for all samples. Electrical resistance measurements confirm the existence at these temperatures of a transition in HOPG samples, albeit without percolation. Besides, the FGG show transitions at temperatures (70K, 270K) near to those reported previously on intercalated-deintercalated graphite, confirming the general character of these superconducting transitions. These results are the first steps in the unveiling of the above room temperature superconductivity of graphite.

研究の動機と目的

• 市販のグラファイト材料に室温を超える超伝導性が存在するかを調査すること。
• グラファイト試料における超伝導性挙動と固有の抗磁性および強磁性成分を区別すること。
• 磁化および抵抗率測定を用いて、HOPGおよびフレキシブルグラファイトガスケットにおける微細な超伝導性の臨界温度 Tc を特定すること。
• グラファイトにおける高 Tc 超伝導転移の起源を、ねじれグラフェン層におけるモアレ型欠陥または平坦バンドと関連付けて探求すること。

提案手法

• 磁化測定は、C軸に平行に磁場を印加した状態で、Quantum Design の MPMS3 および MPMS XL SQUID 磁化計を用いて実施された。
• 強磁性成分は、シグモイド関数フィッティングを用いてヒステリシスループから分離され、超伝導に類似した信号が分離された。
• 超伝導性ループ幅の温度依存性は、ビーンのモデルを用いて分析された：ΔM(H,T) ∼ Jc(H,T) ∼ [1 - (T/Tc)²] により、Tc の外挿が可能となった。
• 高温抵抗率測定は、四端子直流法を用いた自作の光学炉で実施され、タングステン接触を用いて転移を検出した。
• 試料には HOPG（ZYA、ZYH）および商業用フレキシブルグラファイトガスケット（Grafoil®、Papyex®-N）が含まれ、構造的均一性は de Haas-van Alphen 振動および中性子回折により確認された。
• 解析は、特にモザイク散乱が大きく、欠陥構造を有する可能性のある試料における磁化および抵抗率の転移の特定に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市販のグラファイト材料、例えば HOPG やフレキシブルグラファイトガスケットにおいて、Tc > 500 K の微細な超伝導性を特定できるか？
• RQ2 固有の抗磁性および強磁性成分がグラファイトにおける超伝導信号をどの程度隠蔽しており、効果的に分離できるか？
• RQ3 特定のグラファイト試料において観察された 70 K および 270 K の複数の超伝導転移の起源は何か、構造的欠陥または積層配置とどのように関係しているか？
• RQ4 観察された高 Tc 超伝導性は、超伝導ギャップに指数的抑制がないことから示唆される平坦バンド超伝導性と整合的か？

主な発見

• 温度依存性の超伝導性ループ幅の外挿により、研究されたすべての HOPG およびフレキシブルグラファイトガスケット試料において、臨界転移温度 Tc ≈ 550 K ± 50 K が得られた。
• 磁化測定では、400 K まで超伝導に類似したヒステリシスループが観察され、ループ幅が単調に減少し、Tc で消失しており、ビーンのモデルと整合的である。
• 電気的抵抗率測定により、HOPG における高温での超伝導転移が確認されたが、パーフォレーションがないことから、微細な挙動が示唆された。
• フレキシブルグラファイトガスケットは、約 70 K および約 270 K に明確な転移を示し、インターカレーション・デインターカレーションされたグラファイトで報告されたものと一致しており、一般化されたメカニズムを示唆している。
• 観察された超伝導性はおそらく微細なものであり、孤立したナノスケールの超伝導領域に起因し、モアレ型欠陥またはルーマホイナルスタック欠陥によって安定化される可能性がある。
• 高い Tc 値は平坦バンド超伝導性と整合的であり、ギャップが相互作用強度に線形に比例し、指数的抑制がないため、強い結合の抑制なしに高 Tc を実現可能である。