[論文レビュー] Superconductivity to 262 kelvin via catalyzed hydrogenation of yttrium at high pressures

Elliot Snider, Nathan Dasenbrock‐Gammon+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2020

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 36被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、スパッタリング法で作成したヨウリウムにパラジウムを触媒として用いた水素化反応により、182 GPaの圧力下でヨウリウムヒ hydride (YH9) に262 Kの臨界温度を示す超伝導性が実証された。超伝導性は、零抵抗、同素体効果、磁場による抑制の確認によりフォノン媒介であることが裏付けられ、絶対零度における上臨界磁場は103 Tであった。

ABSTRACT

Room temperature superconductivity has been achieved under high pressure in an organically derived carbonaceous sulfur hydride with a critical superconducting transition temperature (Tc) of 288 kelvin. This development is part of a new class of dense, hydrogen rich materials with remarkably high critical temperatures. Metal superhydrides are a subclass of these materials that provide a different and potentially more promising route to very high Tc superconductivity. The most promising binary metal superhydrides contain alkaline or rare earth elements, and recent experimental observations of LaH10 have shown them capable of Tc s up to 250 to 260 kelvin. Predictions have shown yttrium superhydrides to be the most promising with an estimated Tc in excess of 300 kelvin for YH10. Here we report the synthesis of an yttrium superhydride that exhibits superconductivity at a critical temperature of 262 kelvin at 182 gigapascal. A palladium thin film assists the synthesis by protecting the sputtered yttrium from oxidation and promoting subsequent hydrogenation. Phonon mediated superconductivity is established by the observation of zero resistance, an isotope effect and the reduction of Tc under an external magnetic field. The upper critical magnetic field is 103 tesla at zero temperature. We suggest YH9 is the synthesized product based on comparison of the measured Raman spectra and Tc to calculated Raman results.

研究の動機と目的

• 高圧下における金属水素化物系で高温超伝導を達成すること。
• 炭素含有硫黄水素化物とは対照的に、ヨウリウムを基盤とする超水素化物が高温Tc超伝導の有望な代替材料であるかを検討すること。
• 触媒作用による水素化反応でYH9を安定化させるとともに、パラジウムキャッピング層を用いてヨウリウムの酸化を防ぐこと。
• 同素体効果および磁場応答の複数の実験的証拠により、フォノン媒介超伝導であることを確認すること。

提案手法

• 酸化防止のため、基板上にスパッタリング法でヨウリウム薄膜を堆積し、その上に薄いパラジウム層をキャッピングした。
• ダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧水素化反応により、182 GPaの圧力下でヨウリウムヒドライドを合成した。
• パラジウムが水素の拡散を促進し、完全な水素化反応を促進する触媒として機能した。
• 零抵抗転移の検出を目的として、電気抵抗測定が実施された。
• Tcの変化を観察するために、水素を重水素に置き換えて同素体効果を調査した。
• 上臨界磁場（Hc2）を求めるために、Tcの磁場依存性を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下におけるヨウリウム超水素化物は、260 Kを超える超伝導転移温度を示すことができるか？
• RQ2 パラジウムキャッピング層を用いた触媒的水素化反応により、安定した高Tcヨウリウム水素化物が形成可能か？
• RQ3 観察された超伝導性が、同素体効果および磁場による抑制によって示されるフォノン媒介型であるとされるか？
• RQ4 YH9における絶対零度における上臨界磁場は何か？
• RQ5 合成された水素化物の実験的ラマンスペクトルは、YH9の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 合成されたヨウリウムヒドライドは、182 GPaの圧力下で262 Kの超伝導転移温度（Tc）を示した。
• 電気的輸送測定において零抵抗が観察され、超伝導性が確認された。
• 水素を重水素に置き換えた際、明確な同素体効果が観察され、Tcが約10 K低下した。
• 絶対零度における上臨界磁場（Hc2）は103 Tと測定され、強い結合フォノン媒介超伝導と整合的であった。
• 合成試料のラマン分光測定結果は、YH9の理論的予測と良好に一致しており、相の同定を支持した。
• パラジウムキャッピング層は酸化を効果的に防止し、完全な水素化を可能にした。これは高Tc相の達成に不可欠であった。