[論文レビュー] Superconductivity up to 17 K in the high-pressure rhombohedral-I phase of ReO3: a potential oxide analogy of hydride superconductors

P. F. Shan, T. L. Lu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Thermal Expansion and Ionic ConductivityMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、12–39 GPaの圧力下で安定化する高圧rhombhedral-I相のReO3において、最大17 Kの臨界温度（Tc）を示す超伝導性を同定した。超伝導性は、ほぼ密な酸素スピンループに起因する強化された電子-フォノン結合に起因し、超ハイドライド超伝導体のメカニズムを模倣しており、軽元素ヒドライド超伝導体のレアな酸化物アナログを確立した。

ABSTRACT

As an A-site-vacant perovskite-type oxide, ReO3 undergoes sequential pressure-driven structural transitions associated with the rotation of ReO6 octahedra. The rhombohedral-I phase in the pressure range of 12-39 GPa is featured by a lattice of nearly close-packed oxygen layers intercalated with Re cations, in reminiscent of the recently discovered superhydride superconductors. A combined study of first-principles calculations and transport measurements under high pressures enabled us to discover superconductivity in the rhombohedral-I phase, and it shows a dome-shaped Tc(P) with a maximum Tc of 17 K at about 30 GPa. In addition to the enhanced density of states at Fermi level compared to that of the ambient phase, the vibrations of hexagonal-close-packed oxygen lattice significantly strengthen the electron-phonon coupling, which is responsible for observed superconductivity with a relatively high Tc. The present work thus establishes a rare case among oxide superconductors that the light-element oxygen lattice plays a crucial role in inducing superconductivity.

研究の動機と目的

• Aサイトに空孔を有するペロブスカイト酸化物であるReO3の高圧相における超伝導性を調査すること。
• 密な酸素格子を有するReO3のrhombhedral-I相が超伝導的性質を示すかどうかを特定すること。
• この酸化物相における電子-フォノン結合の役割が超伝導性を誘発するメカニズムを調査すること。
• 構造的および電子的類似性を通じて、最近発見されたヒドライド超伝導体と酸化物系を結びつけること。

提案手法

• 電気抵抗および磁化率を40 GPaまで測定するために、立方体アンビルプレスを用いた高圧電気的測定を実施した。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、rhombhedral-I相の電子構造およびフォノンモードを分析した。
• 計算されたフォノンスペクトルおよびフェルミエネルギー準位での状態密度から、電子-フォノン結合定数を評価した。
• 圧力依存性X線回折を用いて、ReO3の相転移を追跡し、rhombhedral-I相の安定領域を同定した。
• 電気抵抗の低下開始点および磁気測定におけるマイスラー効果から、臨界温度（Tc）を抽出した。
• rhombhedral-I相と常圧相のReO3との間で、電子的および振動的性質を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ReO3のrhombhedral-I相は高圧下で超伝導性を示すか。その臨界温度は何か？
• RQ2 ReO3のrhombhedral-I相における超伝導性の起源は何か。具体的には、電子-フォノン結合が駆動要因であるか？
• RQ3 フェルミ準位における状態密度は、rhombhedral-I相と常圧ReO3とでどのように異なるか？
• RQ4 rhombhedral-I相に存在する密な酸素サブラティスは、超ハイドライド超伝導体の水素豊富な格子の挙動をどの程度模倣しているか？
• RQ5 ReO3は、酸化物系において超ハイドライド超伝導体の構造的および電子的アナログとして機能できるか？

主な発見

• ReO3のrhombhedral-I相において、最大17 Kの臨界温度（Tc）を示す超伝導性が観測された。
• Tcは圧力に対してドーム型の依存関係を示し、30 GPaでピークに達し、39 GPa以上で抑制された。
• rhombhedral-I相は、ほぼ密な酸素格子を有しており、これにより電子-フォノン結合が強化され、観測された超伝導性に寄与している。
• 第一原理計算により、常圧相と比較してフェルミ準位における状態密度が顕著に増加していることが判明した。
• 六方最密格子型の酸素格子の振動が、電子-フォノン結合を強く媒介しており、これが超伝導性の主たるメカニズムである。
• 本研究により、軽元素である酸素サブラティスが超伝導性の実現に中心的役割を果たすレアな酸化物超伝導体としてReO3が確立された。これは、超ハイドライド系と類似している。