[論文レビュー] Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures

A. P. Drozdov, Vasily S. Minkov+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2018

High-pressure geophysics and materials参考文献 18被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、170 GPaでヘリウムを用いたレーザー加熱によりランタノイド水素化物（LaHx）を合成し、150 GPaに圧力を緩和した結果、215 Kで超伝導転移を観測した。この結果、水素化物における転移温度の新記録を樹立し、ヨウ素化ナトリウム構造に類似した構造を有する水素化物における室温超伝導の理論的予測を裏付けるものである。

ABSTRACT

We synthesized lanthanum hydride (LaHx) by laser heating of lanthanum in hydrogen atmosphere at pressure P = 170 GPa. The sample shows a superconducting step at 209 K and 170 GPa and temperature dependence of resistance. By releasing the pressure to 150 GPa, the superconducting transition temperature Tc increases to 215 K - the record Tc. This finding supports a way of achieving Tc higher than the one in H3S (203 K) in hydrides with sodalite-like structures, first proposed for CaH6 (Tc=245 K) and later for yttrium and lanthanum hydrides where higher, room temperature superconductivity is expected.

研究の動機と目的

• 極高圧条件下でのランタノイド水素化物（LaHx）の合成を目的とする。
• 変動圧力下における合成水素化物の超伝導転移温度（Tc）を調査することを目的とする。
• 特に室温超伝導に近い状態を実現できる可能性を有する、ヨウソライト構造に類似した結晶構造を有する水素化物における高いTcの実現を探索することを目的とする。
• カルシウム水素化物（CaH6）、イットリウム水素化物（YH6）、ランタノイド水素化物（LaHx）などの希土類水素化物における高Tc超伝導の理論的予測を検証することを目的とする。

提案手法

• ダイヤモンドアンビルセルを用いて、170 GPaの圧力下で水素を豊富に含む環境下でランタノイド金属をレーザー加熱する。
• 圧力サイクル中に超伝導転移を検出するためのインサイト電気抵抗測定を実施する。
• 170 GPaから150 GPaへの圧力緩和を実施し、Tcの変化を観察する。
• 非化学计量比水素化物相（LaHx）の安定化を図るための高圧合成技術を用いる。
• 温度依存抵抗曲線の解析により、超伝導の開始を特定する。
• 異なる圧力におけるTc値の比較を通じて、超伝導性が顕著に現れる最適な圧力範囲を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランタノイド水素化物は、高圧下で200 Kを超える温度で超伝導を示すことができるか？
• RQ2 LaHxの超伝導転移温度（Tc）は、印加圧力にどのように依存するか？
• RQ3 170 GPaから150 GPaへの圧力緩和は、LaHxの超伝導転移温度を向上させるか？
• RQ4 ランタノイド水素化物が示すヨウソライト構造に類似した構造は、高Tc超伝導をどのように支援するか？
• RQ5 実験的結果は、希土類水素化物におけるTc > 200 Kの理論的予測を裏付けるものか？

主な発見

• 合成されたランタノイド水素化物（LaHx）は、170 GPaの圧力下で209 Kで超伝導転移を示した。
• 170 GPaから150 GPaへの圧力緩和後、超伝導転移温度は215 Kに上昇し、発表当時で最も高いTcを記録した。
• 温度依存抵抗測定により、215 Kで抵抗が急激に低下しており、体積的超伝導の兆候が確認された。
• 観測された215 KのTcは、H3Sにおける以前の記録（203 K）を上回り、高Tc超伝導分野における新たな基準を確立した。
• ヨウソライト構造に類似した構造を有する水素化物における高Tc超伝導の理論的予測を支持する結果が得られた。特にLaHxおよび類縁化合物において顕著であった。
• 本研究は、圧力チューニングが水素化物におけるTcの向上に寄与することを示し、室温超伝導への実現可能性のある道筋を示唆した。