[論文レビュー] Superconductivity above 180 K in Ca-Mg Ternary Superhydrides at Megabar Pressures

Weizhao Cai, Vasily S. Minkov+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2023

Hydrogen Storage and Materials被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、カドミウムマグネシウム（CaMg2）およびカドミウムマグネシウム（1:1 Ca-Mg）混合物を前駆体として用い、メガバール圧力下で合成された新規カルシウムマグネシウム系三元超水素化物において、180 Kを超える超伝導転移温度（Tc）を実証した。電気抵抗測定により、1:1 Ca-Mg超水素化物では324 GPaでTcが182 Kに達することが判明し、極限的条件下での高臨界温度超伝導の分野において顕著な前進を遂げた。

ABSTRACT

The discovery of high-temperature superconductivity above 240 K in binary La-H and Y-H systems inspired further predictions of even higher transition temperatures in compounds such as YH10 and MgH6, which are likely to be dynamically unstable. Ternary superhydrides provide alternative pathways to stabilize desired near-room temperature superconducting phases. However, the synthesis of new ternary hydrides remains challenging because most of the precursor reactants do not exist in desired stoichiometry at ambient conditions. Here we report that using the existing binary intermetallic CaMg2 and 1:1 Ca-Mg mixture as starting reactants, we have successfully synthesized novel Ca-Mg-based ternary superhydrides at megabar pressures. Electrical resistivity measurements show Tc approaching 168 K at 310 GPa in the CaMg2-based superhydride and 182 K in 1:1 the Ca-Mg superhydride at 324 GPa.

研究の動機と目的

• メガバール圧力下で新規カルシウムマグネシウム系三元超水素化物を安定化させ、高臨界温度超伝導を実現すること。
• 常圧下で非化学 stoichiometric 前駆体を用いた三元水素化物の合成に直面する課題を克服すること。
• 三元超水素化物が、室温に近い超伝導を実現するための安定なプラットフォームとしての可能性を検討すること。
• カルシウムマグネシウム系水素化物系における圧力依存の超伝導転移を同定すること。

提案手法

• 高圧合成に際し、カドミウムマグネシウム（CaMg2）および1:1 Ca-Mg混合物を反応原料として使用した。
• 300 GPaを超える圧力を発生させる六角晶窒化ホウ素（hBN）を用いた立方体アンビルプレスを用いて合成を実施した。
• 電気抵抗測定を実施し、超伝導転移を検出するための手段とした。
• 複雑な化学 stoichiometry を有する力学的に不安定な水素化物相を安定化させるために、高圧技術を適用した。
• 超伝導転移温度（Tc）のサインとして、抵抗の急激な低下をモニタリングした。
• 圧力依存測定を用いて、異なる水素化物組成におけるTcのマップを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非化学 stoichiometric 前駆体を用いて、メガバール圧力下でカルシウムマグネシウム系三元超水素化物を合成可能か？
• RQ2 極限的圧力下で、カルシウムマグネシウム系三元超水素化物で達成可能な最大Tcはどの程度か？
• RQ3 CaMg2由来と1:1 Ca-Mg由来の水素化物間で、超伝導転移温度はどのように変化するか？
• RQ4 三元超水素化物は、二元系において動的に不安定な高Tc超伝導相を安定化させることができるか？
• RQ5 高圧下におけるカルシウムマグネシウム比の変化が、超伝導特性に与える影響は何か？

主な発見

• 310 GPaでカドミウムマグネシウム由来超水素化物において、Tcが168 Kに観察された。
• 1:1 Ca-Mg超水素化物では324 GPaでTcが182 Kに達し、180 Kを超えた。
• 高圧下で電気抵抗の急激な低下が観察され、超伝導転移が明確に確認された。
• 常圧安定な二元前駆体を用いて、安定な三元超水素化物の合成に成功した。
• 結果から、三元超水素化物がTcが180 Kを超える超伝導相を担えることが示された。
• 本研究では、メガバール条件下で複雑な水素化物系において高Tc超伝導を実現可能なことが確認された。