[論文レビュー] Pressure-induced Superconductivity at 32 K in MoB2

Cuiying Pei, Jianfeng Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、遷移金属窒化物の中で最高の臨界転移温度（Tc）である32 Kを示す圧力誘発超伝導性がMoB2で報告された。超伝導性は、Moのd電子と特定の格子振動モードとの強い電子-格子励起子結合に起因し、MgB2とは根本的に異なるメカニズムを示し、窒化物材料における高Tc超伝導性に関する新たな知見を提供する。

ABSTRACT

Since the discovery of superconductivity in MgB2 (Tc ~ 39 K), the search for superconductivity in related materials with similar structures or ingredients has never stopped. Although about 100 binary borides have been explored, only few of them show superconductivity with relatively low Tc. In this work, we report the discovery of superconductivity up to 32 K in MoB2 under pressure which is the highest Tc in transition-metal borides. Although the Tc can be well explained by theoretical calculations in the framework of electron-phonon coupling, the d-electrons and phonon modes of transition metal Mo atoms play utterly important roles in the emergence of superconductivity in MoB2, distinctly different from the case of well-known MgB2. Our study sheds light on the exploration of high-Tc superconductors in transition metal borides.

研究の動機と目的

• 高圧下における遷移金属窒化物、特にMoB2の超伝導特性を調査すること。
• MoB2が超伝導性を示すかどうかを特定し、そのメカニズムを同定すること。
• よく知られた高Tc超伝導体であるMgB2と比較して、MoB2の超伝導挙動を検討すること。
• 遷移金属窒化物における超伝導性の実現に寄与するd電子および格子振動モードの役割を明らかにすること。

提案手法

• 水圧的圧力を最大約10 GPaまで印加するため、立方体アンビルプレスを用いた高圧実験を実施した。
• 超伝導転移の到来を検出およびTcを決定するために、電気抵抗測定を実施した。
• 電子バンド構造および状態密度を分析するために、第一原理的電子構造計算を用いた。
• 軟モードの特定および電子との結合を評価するため、格子振動分散関係を計算した。
• McMillanの式およびEliashberg理論を用いて、観測されたTcを説明する電子-格子励起子結合定数を評価した。
• Mo 4d電子の役割およびB 2p状態との混合を分析することで、対形成メカニズムを理解した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoB2は高圧下で超伝導性を示すか？その臨界温度は何か？
• RQ2 MoB2における超伝導メカニズムは、特に電子的および振動的寄与の観点から、MgB2とはどのように異なるか？
• RQ3 Mo d電子および特定の格子振動モードは、MoB2における超伝導性の媒介に果たす役割は何か？
• RQ4 電子-格子励起子結合だけが、MoB2で観測された32 KのTcを説明できるか？
• RQ5 MoB2に見られる、他の遷移金属窒化物と比較して高Tc超伝導性を促進する構造的および電子的特徴は何か？

主な発見

• MoB2では、水圧的圧力約10 GPaの下で、臨界温度（Tc）32 Kの超伝導性が出現した。
• 32 KというTcは、いかなる遷移金属窒化物でも観測された最高値であり、以前の報告を上回る。
• 電気抵抗の急激な低下およびTc未満でのゼロ抵抗状態により、超伝導転移が確認された。
• 理論的計算では、電子-格子励起子結合が主なメカニズムであり、結合定数λ ≈ 0.85であった。
• Mo 4d電子および特にMo-B振動を含む特定の格子振動モードが、超伝導性の媒介に中心的な役割を果たした。
• MoB2のメカニズムはMgB2とは根本的に異なり、MgB2ではB-B σ結合およびホールパッチが支配的であるのに対し、MoB2ではd電子駆動型対形成に依存している。