[논문 리뷰] Conventional superconductivity at 190 K at high pressures

А. П. Дроздов, M. I. Eremets외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 01.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 30인용 수 67

한 줄 요약

이 연구는 고압(150 GPa 이상) 조건에서 황수소화물(H2S)에서 기록적인 고임계온도 190 K에서 전통적인 초전도성을 보고한다. 이는 강한 전자-포논 결합과 고주파 포논에 의해 유도된다. 초전도성은 저항도 감소, 자기장에 의한 Tc 감소, 그리고 디테리움화된 D2S에서의 큰 이소토프 이동을 통해 확인되며, BCS 이론에 부합하는 포논 매개 쌍성과 일치한다.

ABSTRACT

The highest critical temperature of superconductivity Tc has been achieved in cuprates: 133 K at ambient pressure and 164 K at high pressures. As the nature of superconductivity in these materials is still not disclosed, the prospects for a higher Tc are not clear. In contrast the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory gives a clear guide for achieving high Tc: it should be a favorable combination of high frequency phonons, strong coupling between electrons and phonons, and high density of states. These conditions can be fulfilled for metallic hydrogen and covalent hydrogen dominant compounds. Numerous followed calculations supported this idea and predicted Tc=100-235 K for many hydrides but only moderate Tc~17 K has been observed experimentally. Here we found that sulfur hydride transforms at P~90 GPa to metal and superconductor with Tc increasing with pressure to 150 K at ~200 GPa. This is in general agreement with recent calculations of Tc~80 K for H2S. Moreover we found superconductivity with Tc~190 K in a H2S sample pressurized to P>150 GPa at T>220 K. This superconductivity likely associates with the dissociation of H2S, and formation of SHn (n>2) hydrides. We proved occurrence of superconductivity by the drop of the resistivity at least 50 times lower than the copper resistivity, the decrease of Tc with magnetic field, and the strong isotope shift of Tc in D2S which evidences a major role of phonons in the superconductivity. H2S is a substance with a moderate content of hydrogen therefore high Tc can be expected in a wide range of hydrogen-contain materials. Hydrogen atoms seem to be essential to provide the high frequency modes in the phonon spectrum and the strong electron-phonon coupling.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 수소 빈도 화합물에서 고온 초전도성을 달성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 강한 전자-포논 결합과 고주파 포논 주파수를 통해 Tc > 150 K에 도달할 수 있는 전통적인 BCS 초전도체를 특정하기 위해.
• 극한의 고압 조건에서 황수소화물(H2S)이 고온에서 초전도성을 나타낼 수 있는지 확인하기 위해.
• 이소토프 치환과 자기장 의존성을 통해 초전도성의 포논 기원을 확인하기 위해.

제안 방법

• H2S 시료를 150 GPa 이상의 압력으로 압축하기 위해 다이아몬드 앤티클 셀을 사용한 고압 실험.
• 초전도 전이를 탐지하기 위해 저항도를 온도 및 압력의 함수로 측정.
• 초전도 행동을 확인하기 위해 외부 자기장을 적용하여 Tc 감소를 관찰.
• 포논 매개 쌍성에 대한 증거를 제공하기 위해 디테리움(D2S)을 이용한 이소토프 치환을 수행하여 Tc의 이소토프 이동을 측정.
• 수소화물 초전도성에 대한 이론적 예측을 실험적 압력 및 재료 선택의 가이드로 사용.
• coppper 저항도 대비 최소 50배 이상 감소한 저항도 감소를 분석하여 강력한 초전도 전이를 나타내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 수소 기반 화합물의 전통적 초전도성이 Tc > 190 K에 도달할 수 있는가?
• RQ2 H2S의 초전도성은 BCS 이론이 예측한 바와 같이 전자-포논 결합에 의해 유도되는가?
• RQ3 수소 대신 디테리움을 치환했을 때 H2S의 관측된 Tc가 강한 이소토프 효과를 보이는가?
• RQ4 고압에서 H2S에 어떤 구조적 또는 화학적 변화가 초전도성의 발생에 기여하는가?
• RQ5 SHn (n>2) 수소화물의 형성이 H2S에서 고임계온도 초전도성의 발생을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 150 GPa 이상의 고압 조건에서 H2S에서 임계온도 190 K에서 초전도성이 관측되었다.
• coppper 저항도 대비 최소 50배 이상 감소한 저항도 감소는 강력한 초전도 전이를 나타낸다.
• 외부 자기장이 가해질수록 Tc가 감소하여 초전도 전이의 성격을 확인하였다.
• D2S에서 수소를 디테리움으로 치환했을 때 Tc에 큰 이소토프 이동이 관측되어 포논이 쌍성에 주요 역할을 한다는 것을 확인하였다.
• 초전도성은 고압 조건에서 H2S의 해리와 SHn (n>2) 수소화물의 형성과 관련이 있을 가능성이 높다.
• 결과는 특히 강한 전자-포논 결합과 고주파 포논에 의해 유도되는 고임계온도 초전도성의 이론적 예측과 일치한다.