[論文レビュー] No evidence of superconductivity in the compressed sample prepared from the lutetium foil and H2/N2 gas mixture

Shu Cai, Jing Guo+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2023

Luminescence Properties of Advanced MaterialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高圧下でルテチウム箔とH2/N2ガスを用いて合成されたルテチウム-水素-窒素（Lu-H-N）化合物における常温近傍の超伝導性の主張を検証した。合成法を再現したが、3.4 GPaまでおよび100 Kまでをカバーする電気抵抗率および磁化率測定では超伝導性の証拠が得られず、また1800 °Cまでレーザー加熱を行った後も、試料は常に濃い青色のままであった。

ABSTRACT

A material described as lutetium-hydrogen-nitrogen (Lu-H-N in short) was recently claimed to have near-ambient superconductivity[Gammon et al, Nature 615, 244, 2023]. If the results could be reproduced by other teams, it would be a major scientific breakthrough. Here, we report our results of transport and structure measurements on a material prepared using the same method as that reported by Gammon et al. Our X-ray diffraction measurements indicated that the obtained sample contained three substances: the FCC-1 phase (Fm-3m) with a lattice parameter a=5.03 Å, the FCC-2 phase (Fm-3m) with a lattice parameter a= 4.755 Å and Lu metal. These two FCC phases are identical to the those reported in the so-called near-ambient superconductor. However, we found that the samples had no evidence of superconductivity, through our resistance measurements in the temperature range of 300 - 4 K and pressure range of 0.9 - 3.4 GPa, and our magnetic susceptibility measurements in the pressure range of 0.8-3.3 GPa and temperature down to 100 K. We also used a laser heating technique to heat the sample to 1800°C and found no superconductivity in the produced dark blue samples below 6.5 GPa. In addition, the color of the both samples remain dark blue in the pressure range investigated.

研究の動機と目的

• Gammonら（2023年、Nature）が報告したLu-H-Nにおける常温近傍の超伝導性の主張を独立して検証すること。
• 同じ方法、すなわちH2/N2ガス混合気体を用いたルテチウム箔の高圧処理により、Lu-H-N化合物を再現すること。
• 高圧および高温下での生成試料の電気的および磁気的性質を調査すること。
• 2つのFCC構造（a = 5.03 Åおよび4.755 Å）を示す観察された濃い青色相が、超伝導性を示す可能性があるかどうかを特定すること。

提案手法

• 六方晶窒化ホウ素（h-BN）を圧力媒体として用い、ルテチウム箔とH2/N2ガス混合気体を用いてLu-H-N化合物を高圧合成する。
• X線回折（XRD）を用いて存在する結晶相を同定し、2つのFCC相（Fm-3m）および金属的ルテチウムの存在を確認する。
• 0.9〜3.4 GPaの圧力範囲で300 Kから4 Kまでの温度範囲で電気抵抗率測定を行い、超伝導転移を検出する。
• 0.8〜3.3 GPaの圧力範囲で100 Kから0 Kまでの温度範囲で磁化率測定を行い、マイスナー効果に類似した挙動を検出する。
• 圧力下で1800 °Cまでレーザー加熱を行い、生成された濃い青色相の安定性および潜在的な超伝導性を評価する。
• 圧力範囲6.5 GPaまでにわたり、色の観察および相の安定性のモニタリングを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gammonらが報告した方法と同一の方法で合成されたLu-H-N化合物が、常圧および常温近傍条件下で超伝導性を示すか？
• RQ2 試料中に観察された2つのFCC相（a = 5.03 Åおよび4.755 Å）は、元の主張における超伝導相と整合的か？
• RQ3 3.4 GPa未満および100 K未満の範囲で、電気抵抗率または磁化率測定において超伝導転移が検出可能か？
• RQ4 1800 °Cまでレーザー加熱することで、圧力下で生成された濃い青色相に超伝導性が誘発されたり安定化されたりするか？
• RQ5 すべての圧力および温度条件下で持続的に観察された濃い青色の色が、超伝導相の存在と相関しているか？

主な発見

• X線回折により、元の研究で報告されたのと同一の2つのFCC相（Fm-3m）が確認され、格子定数はa = 5.03 Åおよびa = 4.755 Åであった。
• 0.9〜3.4 GPaの圧力範囲で300 Kから4 Kまでの温度範囲で電気抵抗率測定を行ったが、超伝導転移の兆候は観察されなかった。
• 0.8〜3.3 GPaの圧力範囲で100 Kから0 Kまでの温度範囲で磁化率測定を行ったが、マイスナー効果に類似した反磁性シールド効果は観察されなかった。
• 1800 °Cまでレーザー加熱を行ったが、6.5 GPaまでの圧力範囲でも超伝導性は誘発されなかった。
• すべての圧力および温度条件下で試料は濃い青色を維持しており、超伝導性と関連する相の変化は観察されなかった。
• 合成法の再現および相同定が行われたにもかかわらず、どの条件下でも超伝導性の証拠は得られなかった。