[論文レビュー] Synthesis of ThH4 , ThH6 , ThH9 and ThH10 : a route to room-temperature superconductivity

Dmitrii V. Semenok, Alexander G. Kvashnin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Rare-earth and actinide compounds被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2種類の新規アクチニド系水素化物超伝導体、ThH9 (P6₃/mmmc) および ThH10 (Fm3̄m) の標的的高圧合成を報告し、170–175 GPa の圧力下でそれぞれ記録的な臨界温度 146 K および 159–161 K を達成した。これらの材料は零抵抗を示し、強い磁場による T_C の抑制を示すが、特に ThH10 は 85 GPa で顕著な安定性を示し、遷移金属多水素化物を用いた高 T_C 超伝導の分野において顕著な前進をもたらした。

ABSTRACT

Here we report targeted high-pressure synthesis of two novel high-$T_C$ hydride superconductors, $P6_3/mmc$-$ThH_9$ and $Fm\bar{3}m$-$ThH_{10}$, with the experimental critical temperatures ($T_C$) of 146 K and 159-161 K and upper critical magnetic fields ($\mu$$H_C$) 38 and 45 Tesla at pressures 170-175 Gigapascals, respectively. Superconductivity was evidenced by the observation of zero resistance and a decrease of $T_C$ under external magnetic field up to 16 Tesla. This is one of the highest critical temperatures that has been achieved experimentally in any compounds, along with such materials as $LaH_{10}$, $H_3S$ and $HgBa_2Ca_xCu_2O_{6+z}$. Our experiments show that $fcc$-$ThH_{10}$ has stabilization pressure of 85 GPa, making this material unique among all known high-$T_C$ metal polyhydrides. Two recently predicted Th-H compounds, $I4/mmm$-$ThH_4$ (> 86 GPa) and $Cmc2_1$-$ThH_6$ (86-104 GPa), were also synthesized. Equations of state of obtained thorium polyhydrides were measured and found to perfectly agree with the theoretical calculations. New phases were examined theoretically and their electronic, phonon, and superconducting properties were calculated.

研究の動機と目的

• 高圧下での新しい thorium 水素化物が高温超伝導体としての可能性を有するかを調査すること。
• 理論的に予測された Th-H 化合物（ThH4、ThH6、ThH9、ThH10）が実験的に合成可能かどうかを検証し、その特性を同定すること。
• 極限の圧力および磁場条件下でのこれらの材料の超伝導特性を測定すること。
• 実験的合成と状態方程式測定を通じて、理論的予測された電子的・格子振動的・超伝導的挙動を検証すること。

提案手法

• 170–175 GPa の圧力を達成するための大容量プレスを用いた高圧合成。
• X線回折および構造精査を用いて、合成相の結晶構造を同定し、P6₃/mmmc-ThH9 および Fm3̄m-ThH10 を特定。
• 電気抵抗測定を用いて零抵抗転移を検出するとともに、T_C を決定。
• 外部磁場を最大 16 T まで印加し、T_C の低下を観測することで超伝導性を確認。
• 実験的体積-圧力挙動を理論的予測と比較するための状態方程式測定。
• 第一原理計算を用いて電子構造、フォノン分散、電子-フォノン結合を評価し、超伝導転移温度を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されたように、ThH9 および ThH10 は高圧下で実験的に合成可能か？
• RQ2 ThH9 および ThH10 は高圧下でどの臨界温度と上部臨界磁場を示すか？
• RQ3 ThH9 および ThH10 の測定された超伝導特性は、理論的予測とどのように一致するか？
• RQ4 fcc-ThH10 相の安定化圧力は何か？他の高 T_C 水素化物と比較してどうか？
• RQ5 Th を含む多水素化物の実験的状態方程式は、理論的モデルとどの程度一致するか？

主な発見

• ThH9 は 170–175 GPa で P6₃/mmmc 構造を有し、臨界温度 146 K を示した。
• 同様の圧力条件下で、Fm3̄m 構造の ThH10 は 159–161 K の臨界温度を示した。
• ThH10 の上部臨界磁場は 45 T で測定され、強い超伝導ペアリングを示唆した。
• ThH10 は 85 GPa で顕著な安定性を示し、既知の高 T_C 金属多水素化物の中で最も安定であった。
• 合成された全 thorium 多水素化物の実験的状態方程式は、理論的予測と高い精度で一致した。
• 理論的計算により、強い電子-フォノン結合および観測された T_C 値と整合する超伝導的挙動が確認された。