[논문 리뷰] Absence of near-ambient superconductivity in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$

Xue Ming, Yingjie Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 15.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고압 및 고온 조건에서 합성된 질소 도핑된 lutetium 수소화물(LuH₂±ₓNᵧ)을 조사하여, 이전에 보고된 근접 대기압 초전도성과 일치하는 구조를 확인하였다. 약 300 K 근처에서 구조 전이가 관측되었지만, 6 GPa 이하의 압력에서 10 K까지 초전도성은 관측되지 않아 이 시스템에서 실온 초전도성의 존재를 반박하였다.

ABSTRACT

Recently near-ambient superconductivity was claimed in N-doped lutetium hydride (ref. 1). This induces a worldwide fanaticism about the dream of room temperature superconductivity under low pressures. By using a high pressure and high temperature synthesis technique, we have successfully obtained the nitrogen doped lutetium hydride (LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$) with a dark-bluish color and a structure with the space group of $Fm\bar{3}m$ evidenced by x-ray diffraction. This structure is the same as that reported in ref. 1. The energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the existence of nitrogen in some areas of the samples. At ambient pressure, we witness a kink of resistivity and magnetization at about 300 K, which may correspond to a rearrangement of hydrogen/nitrogen atoms, namely a structural transition. However, by applying a pressure from 1 GPa to 6 GPa, we have seen a progressively optimized metallic behavior without showing superconductivity down to 10 K. Temperature dependence of magnetization shows a roughly flat feature between 100 and 320 K, and the magnetization increases with magnetic field at 100 K, all these are not expected for superconductivity at 100 K. Thus, we conclude the absence of near-ambient superconductivity in this nitrogen-doped lutetium hydride under pressures below 6 GPa.

연구 동기 및 목표

• 고성능 논문에서 보고된 질소 도핑된 lutetium 수소화물(LuH₂±ₓNᵧ)의 주장된 근접 대기압 초전도성을 검증하기 위해.
• 구조적 정밀도를 확보하기 위해 고압 및 고온 조건에서 고품질의 LuH₂±ₓNᵧ 시료를 합성하기 위해.
• 다양한 압력과 온도 조건에서 합성된 시료의 전자적 및 자성 성질을 조사하기 위해.
• 대기압 및 최대 6 GPa의 중간 압력에서 초전도성이 유지되는지 확인하기 위해.
• 수소화물 시스템에서 실온 초전도성에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해 재현 가능한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고압 및 고온 고체상 합성을 사용하여, 어두운 파란빛을 띤 질소 도핑된 lutetium 수소화물(LuH₂±ₓNᵧ)을 제조하였다.
• X선 회절을 통해 원래 보고된 단계와 일치하는 입방체 Fm\bar{3}m 구조가 확인되었다.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 통해 시료의 局부 영역에서 질소의 도입이 확인되었다.
• 대기압 및 최대 6 GPa의 압력을 가한 조건에서 10 K에서 320 K까지 전기 저항도 및 자화 측정을 수행하였다.
• 초전도성 행동을 평가하기 위해 다양한 자기장 조건에서 자화율 측정을 실시하였다.
• 300 K 근처에서 저항도 및 자화도 데이터의 이질성으로 인해 구조 전이가 식별되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질소 도핑된 lutetium 수소화물(LuH₂±ₓNᵧ)은 대기압 및 최대 6 GPa에서 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 LuH₂±ₓNᵧ에서 약 300 K 근처에서 관측된 저항도의 비정상성은 무엇을 의미하는가?
• RQ3 100–320 K 범위에서 관측된 자성 반응은 초전도성 행동을 나타내는가?
• RQ4 통제된 합성 및 측정 조건에서 LuH₂±ₓNᵧ의 보고된 근접 대기압 초전도성은 재현 가능한가?
• RQ5 수소 및 질소의 정렬이 이 수소화물 시스템의 전자적 성질에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 합성된 LuH₂±ₓNᵧ 시료는 원래 보고된 바와 동일한 입방체 Fm\bar{3}m 구조를 보이며, 구조적 정밀도가 확인되었다.
• 대기압 조건에서 약 300 K 근처에서 저항도의 급격한 변화가 관측되어 수소 및 질소 원자 재배열을 수반하는 구조 전이를 시사한다.
• 자화 측정 결과, 100 K에서 320 K 사이에서는 온도에 따라 수평적인 변화를 보이며, 이는 초전도성 행동와 부합하지 않는다.
• 100 K에서 외부 자기장이 증가함에 따라 자화가 증가하는 현상이 관측되었으며, 이는 초전도성과 호환되지 않는다.
• 최대 6 GPa의 압력에서 10 K까지 어떤 측정 조건에서도 초전도 전이가 관측되지 않았다. 압력 하에서 최적의 금속적 행동는 관찰되었지만.
• EDS를 통해 국소 영역에서 질소 존재가 확인되었지만, 어떤 측정 구성에서도 초전도성에 대한 증거는 발견되지 않았다.