[論文レビュー] Quantifying the nonadiabaticity strength constant in recently discovered highly-compressed superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences参考文献 107被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、最近発見された高圧超伝導体、特に水素化物、リンの同素体、および元素チタンとタングステン窒化物（TaH₃）における非断熱性の強さ定数 $T_\theta/T_F$ を定量的に評価している。実験データを用いて、δ-Ti およびブラックリンは A15 超伝導体と同等の $T_\theta/T_F$ 値を示すことが明らかになった一方、水素化物および violet リンは $H_3S$ や $LaH_{10}$ と同程度の値を示しており、高 $T_c$ 超伝導性に影響を与える非断熱効果の多様性が示唆されている。

ABSTRACT

Superconductivity in highly-pressurized hydrides became primary direction for the exploration of fundamental upper limit for the superconducting transition temperature, Tc, after Drozdov et al (Nature 2015, 525, 73) discovered superconducting state with $T_c=203 K$ in highly-compressed sulphur hydride. To date several dozens of high-temperature superconducting polyhydrides have been discovered. In addition, recently, it was reported that highly-compressed titanium and scandium exhibit record-high $T_c$ (up to 36 K), which is by manifold exceeded $T_c=9.2 K$ of niobium, which is the record high-$T_c$ ambient pressure metallic superconductor. Here we analysed experimental data on for recently discovered high-pressure superconductors (which exhibit high transition temperatures within their classes): elemental titanium (Zhang et al, Nature Communications 2022; Liu et al, Phys. Rev. B 2022), $TaH_3$ (He et al, Chinese Phys. Lett. 2023), $LaBeH_8$ (Song et al, Phys. Rev. Lett. 2023), and black (Li et al, Proc. Natl. Acad. Sci. 2018) and violet (Wu et al, arXiv 2023) phosphorous, to reveal the nonadiabaticity strength constant, $T_θ/T_F$ (where $T_θ$ is the Debye temperature, and $T_F$ the Fermi temperature) in these superconductors. The analysis showed that $δ$-phase of titanium and black phosphorous exhibit the $T_θ/T_F$ which are nearly identical to ones associated in A15 superconductors, while studied hydrides and violet phosphorous exhibit the constants in the same ballpark with $H_3S$ and $LaH_{10}$.

研究の動機と目的

• 最近発見された高圧超伝導体における非断熱性の強さ定数 $T_\theta/T_F$ を評価すること。
• 水素化物、リン、および元素金属を含む多様な高 $T_c$ 超伝導体材料における非断熱性の度合いを比較すること。
• 非断熱効果がこれらの材料で観察される高転移温度にどのように寄与しているかを評価すること。
• 常圧下で 200 K を超えるか、記録に近い $T_c$ を示す材料に対して、非断熱性の定量的ベンチマークを提供すること。

提案手法

• 高圧超伝導体の実験データ（$T_c$、デバイ温度 $T_\theta$、フェルミ温度 $T_F$）の分析。
• 測定値または導出された $T_\theta$ および $T_F$ を用いて、非断熱性の強さ定数 $T_\theta/T_F$ を計算すること。
• 水素化物、リンの同素体、および元素金属の各クラスにおける $T_\theta/T_F$ 値の比較。
• $T_\theta$ と格子振動スペクトルの既知の関係、および電子構造データからの $T_F$ の関係を用いること。
• $H_3S$、$LaH_{10}$、A15 化合物といった既知の超伝導体と比較して、材料を $T_\theta/T_F$ 値に基づいて分類すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近発見された高圧超伝導体、例えば $LaBeH_8$、$TaH_3$、およびリンの同素体における非断熱性の強さ定数 $T_\theta/T_F$ の値は何か？
• RQ2 これらの材料における非断熱性は、ベンチマークとしての高 $T_c$ 水素化物 $H_3S$ や $LaH_{10}$ と比べてどの程度異なるか？
• RQ3 元素チタンおよびリンにおける $T_\theta/T_F$ 値は、A15 超伝導体とどの程度類似しているか？
• RQ4 異なる高 $T_c$ 水素化物および非水素化物超伝導体において、非断熱性に一貫した傾向が見られるか？

主な発見

• δ相チタンの $T_\theta/T_F$ 値は A15 超伝導体とほぼ同一であり、同等の非断熱効果が存在することが示唆される。
• ブラックリンは A15 化合物と定量的に同等の $T_\theta/T_F$ 値を示しており、共通の非断熱的性質を有している可能性がある。
• $LaBeH_8$、$TaH_3$、およびバイオレットリンにおける非断熱性の強さ定数は、$H_3S$ や $LaH_{10}$ で観察された範囲に含まれる。
• これらの発見は、非断熱効果が高 $T_c$ 超伝導体において共通の特徴である可能性を示唆しており、特に水素化物および特定の元素系で顕著である。
• 本研究は、多様な高圧超伝導体材料における非断熱性の比較のための定量的フレームワークを確立した。