[論文レビュー] Observation of Conventional Near Room Temperature Superconductivity in Carbonaceous Sulfur Hydride

Hiranya Pasan, Elliot Snider+22 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高圧（133 GPa）下における炭素ドーピングを施した硫化水素で、260 Kにおける従来の超伝導転移を、変調された交流磁化率および同期顕線赤外反射率により確認した。100 Kにおける超伝導ギャップは約85 meVであり、BCS理論と整合しており、XRDによりPnma相が常温に近い超伝導性を引き起こしていることが確認された。

ABSTRACT

The phenomenon of high temperature superconductivity, approaching room temperature, has been realized in a number of hydrogen-dominant alloy systems under high pressure conditions1-12. A significant discovery in reaching room temperature superconductivity is the photo-induced reaction of sulfur, hydrogen, and carbon that initially forms of van der Waals solids at sub-megabar pressures. Carbonaceous sulfur hydride has been demonstrated to be tunable with respect to carbon content, leading to different superconducting final states with different structural symmetries. A modulated AC susceptibility technique adapted for a diamond anvil cell confirms a Tc of 260 kelvin at 133 GPa in carbonaceous sulfur hydride. Furthermore, direct synchrotron infrared reflectivity measurements on the same sample under the same conditions reveal a superconducting gap of ~85 meV at 100 K in close agreement to the expected value from Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory13-18. Additionally, x-ray diffraction in tandem with AC magnetic susceptibility measurements above and below the superconducting transition temperature, and as a function of pressure at 107-133 GPa, reveal the Pnma structure of the material is responsible for the close to room-temperature superconductivity at these pressures.

研究の動機と目的

• 高圧下における炭素ドーピングを施した硫化水素における高臨界温度超伝導の出現を調査すること。
• 炭素含有硫化水素における超伝導の構造的および電子的起源を特定すること。
• 複数の実験的手法を用いて超伝導転移温度（Tc）およびギャップの大きさを検証すること。
• 実験的ギャップ値をBCS理論の予測と比較することで、超伝導が従来型であるかどうかを検証すること。
• イン・スイットXRDおよび磁気的磁化率測定を通じて、超伝導を引き起こす結晶構造を同定すること。

提案手法

• ダイヤモンドアンビルセルを用いて、高圧下で変調された交流磁化率を測定し、超伝導転移を検出する。
• 同一の圧力および温度条件下で、直接的な同期顕線赤外反射率測定を実施し、超伝導ギャップエネルギーを抽出する。
• イン・スイットX線回折（XRD）を実施し、圧力の関数として超伝導相の結晶構造を同定する。
• 超伝導転移温度の上下的な交流磁化率およびXRD測定を組み合わせ、構造的および超伝導的挙動の相関を検証する。
• 107–133 GPaの圧力範囲における圧力依存測定を実施し、超伝導相の安定性およびその構造対称性をマッピングする。
• Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理論を用いて、実験データと比較可能な予想される超伝導ギャップ値を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素ドーピングを施した硫化水素が高圧下で示す超伝導転移温度（Tc）は何か？
• RQ2 観測された超伝導が、BCS理論との整合性から従来型であると示唆されるギャップの大きさによって支持されるか？
• RQ3 Pnmaなどの結晶構造のうち、炭素含有硫化水素における高Tc超伝導相を引き起こしているのはどれか？
• RQ4 炭素ドーピングは、高圧下における硫化水素の構造的および超伝導的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 極限の条件下で、複数の補完的技術を用いて超伝導状態を一貫して同定および特徴づけることができるか？

主な発見

• 変調された交流磁化率を用いた測定により、炭素含有硫化水素において133 GPaで260 Kの超伝導転移温度（Tc）が観測された。
• 同期顕線赤外反射率測定により、100 Kにおける超伝導ギャップが約85 meVであることが判明し、BCS理論の予測とよく一致した。
• X線回折により、107–133 GPaの圧力範囲で硫化水素のPnma相が高臨界温度超伝導性を引き起こしていることが確認された。
• Tcの上下的な交流磁化率およびXRD測定の組み合わせにより、超伝導転移および構造的相の安定性に関する一貫した証拠が得られた。
• 超伝導ギャップの大きさおよびTcの値は、従来型の電子-格子励起子媒介超伝導に一致しており、BCSに類似したメカニズムを支持する。
• 炭素ドーピングにより超伝導相のチューニングが可能となり、炭素含有量に応じて明確に異なる構造対称性が観察された。