[論文レビュー] Potential high-$T_{c}$ superconductivity in YCeH$_{x}$ and LaCeH$_{x}$ under pressure

Peng Song, Zhufeng Hou+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、進化的な結晶構造予測と第一原理計算を用いて、高圧下における新規三元水素化物 YCeHx および LaCeHx における高温超伝導の予測を行った。$P\bar{6}m2$-YCeH18 相は 150 GPa において予測される $T_c$ が 173 K に達し、複雑な水素化物系における実験的に達成可能な高温超伝導への有望な道筋を示している。

ABSTRACT

Lanthanum, yttrium, and cerium hydrides are the three most well-known superconducting binary hydrides (La-H, Y-H, and Ce-H systems), which have gained great attention in both theoretical and experimental studies. Recent studies have shown that ternary hydrides composed of lanthanum and yttrium can achieve high superconductivity around 253 K. In this study we employ the evolutionary-algorithm-based crystal structure prediction (CSP) method and first-principles calculations to investigate the stability and superconductivity of ternary hydrides composed of (Y, Ce) and (La, Ce) under high pressure. Our calculations show that there are multiple stable phases in Y-Ce-H and La-Ce-H systems, among which $P4/mmm$-YCeH$_{8}$, $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$, $R\bar{3}m$-YCeH$_{20}$, $P4/mmm$-LaCeH$_{8}$, and $R\bar{3}m$-LaCeH$_{20}$ possessing H$_{18}$, H$_{29}$ and H$_{32}$ clathrate structures can maintain both the thermodynamic and lattice-dynamic stabilities. In addition, we also find that these phases also maintain a strong resistance to decomposition at high temperature. Electron-phonon coupling calculations show that only three of these five phases can exhibit high-temperature superconductivity. The superconducting transition temperatures ($T_\mathrm{c}$) of $R\bar{3}m$-YCeH$_{20}$, $R\bar{3}m$-LaCeH$_{20}$, and $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$ are predicted using the Allen-Dynes-modified McMillan formula to be 122 K at 300 GPa, 116 K at 250 GPa, and 173 K at 150 GPa, respectively. Moreover, the pressure to stabilize $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$ can be lowered to 150 GPa, suggesting an accessible condition for its high-pressure synthesis.

研究の動機と目的

• 高圧下における三元 Y-Ce-H および La-Ce-H 水素化物の安定性と超伝導特性を調査すること。
• 高度な計算手法を用いて、これらの系内での安定・動的安定・超伝導性を持つ相を同定すること。
• 二元超伝導性水素化物（例：Y-H、Ce-H、La-H）を組み合わせることで、$T_c$ が向上する新たな三元水素化物が得られるかを検討すること。
• 実験的に達成可能な圧力範囲で高温超伝導を達成する可能性を評価すること。
• 水素ネットワークの特性と電子-フォノン結合が $T_c$ 値に与える影響を評価すること。

提案手法

• 100–400 GPa の圧力範囲で Y-Ce-H および La-Ce-H 系における安定相を探索するために、進化的アルゴリズムに基づく結晶構造予測（CSP）を採用した。
• 熱力学的および格子力学的安定性を評価するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 電子-フォノン結合計算から得た $T_c$ を推定するために、Allen-Dynes 変更型 McMillan 公式を用いた。
• 水素ネットワーク特性（$\phi$）と $E_F$ における水素の状態密度（DOS）の寄与を用いて、$T_c$ 予測の妥当性を検証するため、ELF を用いた経験的モデル（式 9）を適用した。
• H-H 結合およびネットワーク特性を定量化するために、径関数および電子局在関数（ELF）を分析した。
• 分解抵抗性を評価するため、フォノン分散および自由エネルギー計算を実施し、高温安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Y-Ce-H および La-Ce-H 系において、高圧下で安定で、動的安定かつ超伝導性を示す相は何か？
• RQ2 Y-H、La-H、Ce-H などの二元超伝導性水素化物を組み合わせて得られる三元水素化物が、それらの二元体よりも高い $T_c$ を達成できるか？
• RQ3 最も有望な相の予測される $T_c$ は何か？また、それらはどの圧力で安定化されるか？
• RQ4 水素ネットワーク特性（$\phi$）および $E_F$ における $H_{\mathrm{DOS}}$ は、異なるモデルからの $T_c$ 予測とどのように相関するか？
• RQ5 圧力依存性が、式 (9) のような経験的 $T_c$ 予測モデルの信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• $P\bar{6}m2$-YCeH18 相は 150 GPa で予測される $T_c$ が 173 K に達し、全研究対象相の中で最高値を示した。
• $R\bar{3}m$-YCeH20 相は 300 GPa で $T_c$ が 122 K に達し、高圧下での強い超伝導性を示す可能性を示した。
• $R\bar{3}m$-LaCeH20 相は 250 GPa で $T_c$ が 116 K に予測され、ランタノイドを含む三元水素化物における高温超伝導の可能性を裏付けた。
• $P4/mmm$-YCeH8 および $P4/mmm$-LaCeH8 相は安定で超伝導性を示し、高温超伝導に相当する $T_c$ 値を示した。
• $P\bar{6}m2$-YCeH18 相は熱力学的および動的安定性を維持しており、高温でも分解に対して強い耐性を示した。
• 経験的モデル式 (9) は圧力に伴い $T_c$ が増加すると予測したが、Allen-Dynes 公式の傾向とは逆であった。これは、このモデルが圧力依存性および f 電子を含む系への一般化に限界を有することを示唆している。