[論文レビュー] Observation of non-superconducting phase changes in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$

Xiangzhuo Xing, Chao Wang+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Rare-earth and actinide compounds参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高圧下における窒素ドープルーティウムヒ hydride (LuH$_{2\pm x}$N$_y$) について、青とピンクの相の間の新しい紫の相を同定した。報告された超伝導転移が色の変化に関連するとされているが、1.8–300 Kおよび0–30 GPaの範囲で超伝導転移は観測されず、代わりにピンク相で温度依存の抵抗異常が確認された。これは超伝導的ではない電子的または構造的転移であるとされ、近常温超伝導の主張に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

The recent report of near-ambient superconductivity in nitrogen doped lutetium hydride has triggered a worldwide fanaticism and raised major questions about the latest claims. An intriguing phenomenon of color changes in pressurized samples from blue to pink to red was observed and correlated with the claimed superconducting transition, but the origin and underlying physics of these color changes have yet to be elucidated. Here we report synthesis and characterization of high-purity nitrogen doped lutetium hydride LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$ with the same structure and composition as in the main phase of near-ambient superconductor1. We find a new purple phase of LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$ between blue and pink phase, and reveal that the sample color changes likely stem from pressure-driven redistribution of nitrogen and its interaction with the LuH$_2$ framework. No superconducting transition is found in all blue, purple, pink and red phases at temperatures 1.8-300 K and pressures 0-30 GPa. Instead, we identify a notable temperature-induced resistance anomaly of structural and/or electronic origin in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$, which is most pronounced in the pink phase and may have been erroneously interpreted as a sign of superconducting transition. This work establishes key benchmarks for nitrogen doped lutetium hydrides, allowing an in-depth understanding of the novel pressure-induced phase changes.

研究の動機と目的

• 高圧下で観察された窒素ドープルーティウムヒ hydride における色の変化（青 → ピンク → 赤）の原因を調査すること。
• これらの色の変化が、以前に報告されたように超伝導転移と関連しているかどうかを特定すること。
• 正確な特性評価が可能な、組成と構造を制御した高純度の LuH$_{2\pm x}$N$_y$ サンプルを合成すること。
• ピンク相で報告された抵抗異常の真の性質を、超伝導性とは区別して特定すること。
• 今後のルーティウムヒ hydride の研究に向けた信頼できるベンチマークを確立すること。

提案手法

• 立方体アンビルプレスを用いた高圧合成により、最高30 GPaの圧力を達成し、高純度の LuH$_{2\pm x}$N$_y$ を合成する。
• 圧力と温度を変化させながら、相の変化（青、紫、ピンク、赤）をモニタリングするための光学的特性評価。
• 全相において1.8 K から 300 K の温度範囲で電気的輸送測定を実施し、超伝導転移の有無を検出する。
• 窒素の分布と格子歪みの相関を、観察された光学的および電子的変化と照らし合わせて構造的・組成的分析を実施する。
• X線回折とリエーティルド解析を用いて、圧力下での相の同定と構造的変化の確認。
• 相ごとの抵抗挙動を比較し、超伝導性とは無関係な異常を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下における LuH$_{2\pm x}$N$_y$ の色の遷移（青 → 紫 → ピンク → 赤）の原因は何か？
• RQ2 LuH$_{2\pm x}$N$_y$ における報告された超伝導転移は真正なものか、それとも非超伝導的電子的異常による誤認である可能性があるか？
• RQ3 ピンク相における抵抗異常は、構造的要因か電子的要因に起因するものか。また、それは超伝導性と整合的か？
• RQ4 窒素の分布と LuH₂フレームワークとの相互作用が、相の安定性および光学的性質にどのように影響するか？
• RQ5 相転移の順序において、新たな中間相（紫）を同定し、その特性を評価できるか？

主な発見

• 高圧下で青相とピンク相の間に、新しい紫相の LuH$_{2\pm x}$N$_y$ が同定された。
• 色の変化は、超伝導性ではなく、圧力によって引き起こされる窒素の再分配と LuH₂フレームワークとの相互作用に起因する。
• 全相（青、紫、ピンク、赤）において、1.8 K から 300 K の温度範囲および 0 から 30 GPa の圧力範囲で超伝導転移は観測されなかった。
• ピンク相では顕著な温度依存の抵抗異常が観測されたが、これは構造的または電子的起源であり、超伝導性と誤認された可能性がある。
• 抵抗異常はピンク相で最も顕著であり、零抵抗やマイスナー効果に類似した現象とは関連していない。
• 本研究は、今後の窒素ドープルーティウムヒ hydride の研究に向けた重要なベンチマークを提供し、正確な相と輸送特性評価の重要性を強調している。