[논문 리뷰] Comment on "Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system" (A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73 (2015))

L. S. Mazov|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 01.

High-pressure geophysics and materials인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고압에서 황수소화물에서 관측된 203 K의 저항 전이가 초전도성으로 해석되는 데 도전하며, 오히려 이는 자성(AF SDW) 상전이로 인한 것이라고 제안한다. 저자들은 고온초전도체인 구리산염과 Keldysh-Kopaev 이론에 기반하여 전자-전자(e-e) 및 전자-정공(e-h) 쌍정성이 공존하는 경우, 유전체(자성) 질서가 초전도성 이전에 발생한다는 점을 바탕으로 진정한 초전도 전이 온도는 훨씬 낮은 온도(~40 K)에서 일어나리라고 주장한다.

ABSTRACT

It is demonstrated that resistive transition at 203 K observed in metallic sulfur hydride system at high pressure can be magnetic (rather than superconducting (SC)) in nature. The onset temperature of genuine superconducting transition in these compounds appears to be essentially lower on temperature. The normal-state magnetic (AF SDW) phase transition preceding a superconducting one (Tc < Tm) is characteristic for HTSC cuprates, pnictides (selenides) and organic superconductors. The resistive drop is provided by disappearing of magnetic (AF spin fluctuation) scattering of conduction electrons and hence formation of AF SDW order in the normal state. The formation of such modulated magnetic structure in sulfur hydride seems to be possible because of magnetic properties of metallic hydrogen at high densities (in analogy with iron). Such unconventional picture with two successive phase transitions: magnetic (AF SDW) and only then superconducting one is naturally described by Keldysh-Kopaev theory of dielectric (metal-insulator) phase transition in systems with coexistence of superconducting (e-e) and dielectric (e-h)pairings.

연구 동기 및 목표

• 고압에서 황수소화물에서 관측된 203 K 저항 전이가 이전에 초전도성으로 해석된 바 있는 성질을 재평가한다.
• 저항 급감과 외부 자기장에 따른 이동이 초전도성의 충분한 증거로 간주될 수 있다는 가정을 도전한다.
• 관측된 전이가 실제로는 초전도성 이전에 일어나는 정상상에서의 자성(AF SDW) 상전이일 수 있음을 제안한다.
• 유전체-금속 전이 이론인 Keldysh-Kopaev 이론을 적용하여 고압 황수소화물에서 관측된 두 번의 연속된 상전이의 순서를 설명한다.
• 진정한 초전도 전이 시작 온도를 추정하며, 203 K보다 훨씬 낮을 것임을 주장한다.

제안 방법

• Drozdov 등(2015)의 저항 데이터를 분석하여 203 K에서 관측된 저항 급감이 자성(AF 스핀 플럭투에이션) 산란의 소멸로 인한 것일 수 있음을 식별한다.
• H2S와 D2S의 저항 행동을 음향파 산란에 대한 Bloch-Gruneisen(BG) 법칙과 비교하며, 정상 상태 저항의 기준선으로 BG 곡선을 사용한다.
• 전자-전자(e-e) 및 전자-정공(e-h) 쌍정성이 공존하는 Keldysh-Kopaev 이론을 적용하여 두 단계의 상전이 순서를 설명한다: T_D에서 유전체(AF SDW) 전이가 일어나고, 그 이 후 T_c < T_D에서 초전도 전이가 발생한다.
• 황수소화물에서 높은 Debye 온도(~5000 K)를 이용하여 저온에서의 음향파 산란이 낮다는 점을 근거로, 총 저항의 尾부와의 교차점을 명확히 파악하기 어려운 점을 설명한다.
• BG 곡선과 총 저항의 尾부의 교차점을 식별하여 진정한 초전도 전이 시작 온도를 추정하며, T_c^onset ~ 40 K를 도출한다.
• 고온초전도체인 구리산염, 페라이드, 유기 초전도체와의 유사성을 제시하며, 유사한 두 단계의 전이(AF SDW → SC)가 관측된다는 점을 언급한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 황수소화물에서 203 K에서 관측된 저항 전이가 진정으로 초전도성인가, 아니면 자성 기원일 수 있는가?
• RQ2 황수소화물에서 초전도성 이전에 자성(AF SDW) 상전이가 존재한다는 데 대한 증거는 무엇인가?
• RQ3 Keldysh-Kopaev 이론이 고압 수소화물에서 관측된 저항 행동을 어떻게 설명하는가?
• RQ4 왜 저온에서의 저항 측정에서 진정한 초전도 전이 온도를 정확히 결정하기 어려운가?
• RQ5 금속 수소의 자성 행동이 황수소화물에서 AF SDW 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 황수소화물에서 203 K에서 관측된 저항 전이는 초전도성보다는 자성(AF SDW) 상전이로 인한 것으로 제안된다.
• H2S에서 진정한 초전도 전이 시작 온도는 약 40 K로 추정되며, 보고된 203 K보다 훨씬 낮다.
• 203 K에서 관측된 저항 급감은 초전도 갭의 열린 것보다는 AF 스핀 플럭투에이션 산란의 소멸로 기인한다.
• 두 번의 상전이 순서—AF SDW 전이 이후에 초전도 전이—는 Keldysh-Kopaev 이론의 유전체-금속 전이 이론과 일치한다.
• 데우테리움 도핑된 H2S에서 고온에서 저항의 상승은 과도금속화된 구리산염 및 페라이드의 특징적인 현상으로, 자성 전이 해석을 지지한다.
• 이 화합물들에서 높은 Debye 온도(~5000 K)는 저온에서의 음향파 산란을 낮추며, 이는 진정한 초전도 전이 시작 온도를 정확히 결정하기 어렵게 만든다.