[논문 리뷰] Absence of high temperature superconductivity in hydrides under pressure

J. E. Hirsch, F. Marsiglio|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 24인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 압축된 탄소 함유 황수소화물에서 고온 초전도성의 주장에 도전하며, 자기장 하에서 관측된 날카로운 저항 전이가 유형 II 초전도체 거동과 일관되지 않다고 주장한다. 저자들은 보고된 깅부르크-란다우 매개변수와 침투 깊이가 잘못된 분석에 기반했다고 밝히며, 저항 전이에 필드 유도 폭이 관찰되지 않는 것은 초전도성보다는 비초전도성 금속성 퍼지 전이를 반영할 가능성이 높다고 시사한다.

ABSTRACT

The long-sought goal of room-temperature superconductivity has reportedly recently been realized in a carbonaceous sulfur hydride compound under high pressure, as reported by Snider et al. [1]. The evidence presented in that paper is stronger than in other similar recent reports of high temperature superconductivity in hydrides under high pressure [2-7], and has been received with universal acclaim [8-10]. Here we point out that features of the experimental data shown in Ref. [1] indicate that the phenomenon observed in that material is not superconductivity. This observation calls into question earlier similar claims of high temperature conventional superconductivity in hydrides under high pressure based on similar or weaker evidence [2-7].

연구 동기 및 목표

• Snider 등(2020)이 보고한 압축된 탄소 함유 황수소화물에서의 고온 초전도성 실험적 증거를 비판적으로 평가하는 것.
• 기존 논문에서 깅부르크-란다우 매개변수와 침투 깊이 분석에 대한 오류를 규명하는 것.
• 자기장 하에서의 저항 전이를 초전도성의 증거로 해석하는 데 도전하는 것.
• 관측된 날카로운 전이가 초전도 전이보다는 금속성 퍼지 경로 형성에 더 잘 설명된다고 주장하는 것.
• 유사한 증거에 기반해 다른 초합금 시스템에서의 고온 초전도성 주장의 타당성을 의심하는 것.

제안 방법

• Snider 등(2020)의 압축 초합금에서 저항 및 자기장 의존성에 대한 실험 데이터를 재검토.
• 런던 침투 깊이 계산에서 열역학적 임계장 $H_c$와 상한 임계장 $H_{c2}$의 오용을 특정.
• 깁스부르크-란다우 이론을 적용하여 $H_{c2}$에서 예상되는 코herence 길이 $\xi$를 추정, 결과로 $\xi = 2.3\,\text{nm}$ 도출.
• 런던 침투 깊이 공식 $\lambda(0) = \sqrt{m_e c^2 / (4\pi n_s e^2)}$ 를 사용해 $\lambda(0)$ 추정, 초전도 밀도 $n_s$ 및 페르미 속도를 가정.
• 기존의 유형 II 초전도체(예: MgB2, 구리산염)의 알려진 거동과 비교하여 자기장 하에서의 관측된 저항 전이 폭을 평가.
• 온도 상승 과정에서 저항 증가 현상이 비초전도성 금속성 경로 형성에 더 잘 설명된다는 물리적 타당성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 탄소 함유 황수소화물에서 보고된 초전도 전이가 기존의 유형 II 초전도체 거동과 일치하는가?
• RQ2 깁스부르크-란다우 매개변수 $\kappa$와 런던 침투 깊이 $\lambda(0)$의 값이 실험 데이터에서 정확히 유도되었는가?
• RQ3 왜 자기장 하에서 저항 전이에 폭이 관찰되지 않는가? 이는 유형 II 초전도체의 일반적인 기대와 정면으로 배치된다.
• RQ4 관측된 날카로운 저항 변화가 초전도 전이가 아닌 비초전도성 금속성 퍼지 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 연구에서의 실험적 이상 현상은 다른 초합금 시스템에서의 유사한 고온 초전도성 주장의 타당성을 어느 정도 훼손하는가?

주요 결과

• 보고된 $\lambda(0) = 3.8\,\text{nm}$ 값은 오타이다; 저자들의 공식에 따르면 올바른 값은 $1.6\,\text{nm}$ 이지만, 이 값 역시 $H_c$를 $H_{c2}$ 대신 잘못 사용한 데 기인해 여전히 잘못된 값이다.
• 코herence 길이 $\xi = 2.3\,\text{nm}$ 는 깅부르크-란다우 공식 $H_{c2} = \phi_0 / (2\pi \xi^2)$ 를 사용해 $H_{c2} = 61.8\,\text{T}$ 에서 정확히 유도된 값이다.
• 기존 초전도 이론에 기반한 $\lambda(0)$ 추정 값은 $113\,\text{nm}$ 이며, 이에 따라 깅부르크-란다우 매개변수 $\kappa \sim 50$ 의 하한선을 도출해 강한 유형 II 초전도체임을 시사한다.
• 그림 2b의 저항 전이에는 자기장 하에서도 폭이 관찰되지 않으며, 이는 유형 II 초전도체가 보이는 일반적인 거동과 정면으로 배치된다. 자기장 강도가 증가할수록 폭이 커지는 경향이 있어야 하는 데, 이는 관측되지 않는다.
• MgB2와 비교할 때, $H/H_{c2} = 0.15$ 에서 기대되는 상대적 폭 증가 $\Delta T_c / T_c \sim 8.3\%$ 는 수소화물 데이터에서 관측된 폭보다 최소 50배 이상 크다.
• 온도 상승 과정에서 관측된 날카로운 저항 증가는 초전도 전이보다는 금속성 도전 경로의 갑작스러운 형성 또는 파손에 더 잘 설명되며, 저온에서의 저항이 0이 아니라는 점은 초전도성과 모순된다.