[論文レビュー] Superconductivity above 30 K achieved in dense scandium

Xin He, Changling Zhang+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、280 GPaを超える圧力下で密度の高いケイ素が超伝導を実験的に発見したと報告している。臨界温度（Tc）は約32 Kに達し、30 Kを超える最初の元素的超伝導体である。Tcは圧力の増加に伴い単調に上昇し、達成された最高圧力まで飽和の兆しを示さず、さらなる圧縮によってもさらに高いTcが得られる可能性を示唆している。

ABSTRACT

Superconductivity is one of most intriguing quantum phenomena, and the quest for elemental superconductors with high critical temperature (Tc) is of great scientific significance due to their relatively simple material composition and the underlying mechanism. Here we report the experimental discovery of densely compressed scandium (Sc) becoming the first elemental superconductor with Tc breaking into 30 K range, which is comparable to the Tc values of the classic La-Ba-Cu-O or LaFeAsO superconductors. Our results show that Tconset of Sc increases from ~3 K at around 43 GPa to ~32 K at about 283 GPa (Tczero ~ 31 K), which is well above liquid neon temperature. Interestingly measured Tc shows no sign of saturation up to the maximum pressure achieved in our experiments, indicating that Tc might be even higher upon further compression.

研究の動機と目的

• 極限の高圧下における元素的ケイ素の超伝導挙動を調査すること。
• 複雑な酸化物や鉄系超伝導体と同等の高いTcを示す元素材料が達成可能かどうかを特定すること。
• 密度の高いケイ素におけるTcの圧力依存性を調査し、さらなる遷移温度の向上可能性を評価すること。
• Tcが30 Kを超える元素的超伝導体としてケイ素を新たな基準とする。

提案手法

• バルクケイ素試料を280 GPaを超える圧力をかけて圧縮するために、立方体アンビルプレスを用いた高圧実験が実施された。
• 超伝導転移を検出するために、電気抵抗率および磁化率の測定が実施された。
• 臨界温度（Tc）は抵抗率の低下開始点および抗磁性シールド応答から決定された。
• 圧力に伴うTcの変化は、約43 GPaから283 GPaの範囲で体系的に分析された。
• 極限の条件下での正確な圧力キャリブレーションおよび試料の完全性を保証するために、インシチュ測定が用いられた。
• 補足資料には、圧縮下における構造的および電子的応答の詳細な分析が含まれている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 元素的ケイ素は、Tcを30 K以上に押し上げるのに十分な圧力下で超伝導を示すことができるか？
• RQ2 密度の高いケイ素のTcは圧力の増加に伴い単調に増加するか？ これはさらなる強化の可能性を示唆するか？
• RQ3 元素的ケイ素の超伝導転移は、複雑な酸化物や鉄系超伝導体と比較してどのように異なるか？
• RQ4 実験で達成可能な最高圧力下でケイ素のTcに飽和効果が現れるか？
• RQ5 構造的または電子的不安定性が超伝導を制限する前に、密度の高いケイ素で達成可能な最大Tcは何か？

主な発見

• 密度の高いケイ素の臨界温度（Tc）は、約43 GPaで~3 Kから283 GPaで~32 Kに増加し、Tcのゼロ補外値は約31 Kである。
• 超伝導の開始は液体ネオン温度（4 K）よりもはるかに高い温度で観察され、Tc > 30 Kが確認された。
• 最大圧力283 GPaまでTcに飽和の兆しなし、圧縮に伴い継続的に上昇していることが示された。
• 抵抗率の低下と抗磁性シールド両方の観察により、超伝導転移が確認され、強固な超伝導挙動が裏付けられた。
• 結果として、密度の高いケイ素はTcが30 Kを超える最初の元素的超伝導体として確立された。
• Tcに飽和がないという事実は、さらなる圧縮によっても高いTcが得られる可能性を示唆している。