[論文レビュー] Ultrahigh Pressure Superconductivity in Molybdenum Disulfide

Zhenhua Chi, F. Yen+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

2D Materials and Applications参考文献 25被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、超高圧下における純粋な2H-ジチオモリブデンム（2H-MoS2）における超伝導の初回観測を報告し、90 GPaで記録的なTc（上昇）11.5 Kを達成した—理論的予測を著しく上回り、化学的または静電的ドーピングによる値を上回っている。超伝導は、圧力誘起ギャップ閉じによる金属化に伴い、CDWを示さない相で発現し、遷移金属ジチオカルコゲナイドにおける圧力駆動ペアリング機構に関する現在の理解に挑戦する。

ABSTRACT

Superconductivity commonly appears under pressure in charge density wave (CDW)-bearing transition metal dichalcogenides (TMDs), but has emerged so far only via either intercalation with electron donors or electrostatic doping in CDW-free TMDs. Theoretical calculations have predicted that the latter should be metallized through bandgap closure under pressure, but superconductivity remained elusive in pristine 2H-MoS2 upon substantial compression, where a pressure of up to 60 GPa only evidenced the metallic state. Here we report the emergence of superconductivity in pristine 2H-MoS2 at 90 GPa. The maximum onset transition temperature Tc(onset) of 11.5 K, the highest value among TMDs and nearly constant from 120 up to 200 GPa, is well above that obtained by chemical doping but comparable to that obtained by electrostatic doping. Tc(onset) is more than an order of magnitude larger than present theoretical expectations, raising questions on either the current calculation methodologies or the mechanism of the pressure-induced pairing state. Our findings strongly suggest further experimental and theoretical efforts directed toward the study of the pressure-induced superconductivity in all CDW-free TMDs.

研究の動機と目的

• 純粋な2H-MoS2が、電荷密度波（CDW）秩序を欠くにもかかわらず極限圧力下で超伝導を示すかどうかを調査すること。
• CDWを示さない2H-MoS2における圧力誘起ギャップ閉じによる金属化が、超伝導を引き起こすかどうかを特定すること。
• 化学イオンターリケーションまたは静電的ドーピングによるものと比較して、圧力誘起超伝導の臨界温度（Tc）を評価すること。
• 現在の理論的モデルに挑戦するため、観測されたTcが理論的予測を著しく上回ることを同定すること。

提案手法

• 単結晶2H-MoS2を用いて、立方アンビルプレスを用いて最大200 GPaまで高圧抵抗率および磁化率測定を実施した。
• 電気的抵抗率の圧力依存性をモニタリングし、超伝導の開始および金属性の有無を検出する。
• 磁化率測定を用いて、マイスナー効果および反磁性シールド効果により超伝導転移温度（Tc）を確認した。
• 理論的分析を用いて、観測されたTcを電子-フォノン結合およびバンド構造の進化に基づく予測と比較した。
• 化学的または静電的ドーピングの影響を分離するため、純粋な2H-MoS2に焦点を当てた。
• 超伝導の開始および安定性を特定するため、60 GPaから200 GPaまでの系統的な圧力チューニングを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な2H-MoS2が、CDW秩序や化学的ドーピングが存在しない状態で超高圧下で超伝導を示すことができるか？
• RQ2 極限圧縮下における2H-MoS2で達成可能な最大臨界温度（Tc）は何か？ また、理論的期待と比較してどうなるか？
• RQ3 2H-MoS2におけるバンドギャップ閉じによる圧力誘起金属化が、非単純的または強化された超伝導を引き起こすか？
• RQ4 現在の電子-フォノン結合メカニズムに基づく理論的予測を著しく上回る観測されたTcは、なぜ生じるのか？

主な発見

• 90 GPaで純粋な2H-MoS2に超伝導が観測され、Tc（上昇）は11.5 Kに達し、すべての遷移金属ジチオカルコゲナイドで報告された中で最高値となった。
• 120 GPaから200 GPaにかけてTc（上昇）はほぼ一定を保ち、極限圧力下での安定した超伝導状態を示した。
• 観測されたTcは理論的予測を10倍以上上回っており、電子-フォノン結合メカニズムに関する現在の理解に挑戦する。
• 超伝導の開始は金属化およびバンドギャップの閉じと一致しており、圧力誘起電子的再構成が確認された。
• 60 GPa未満では金属的挙動は観測されたが超伝導は認められず、ペアリング開始のための臨界圧力があることを示した。
• 観測されたTcは静電的ドーピングによる値と同等であったが、類似系における化学的イオンターリケーションによる値を著しく上回っていた。