[논문 리뷰] Creating superconductivity in WB2 through pressure-induced metastable planar defects

Jinhyuk Lim, Ajinkya C. Hire외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Superconductivity in MgB2 and Alloys인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 WB2에서 초전도성이 구조적 상전이를 통해 유도되는 것이 아니라, 압력에 의해 유도된 비정상적인 평면 결함—특히 다층 결함과 쌍방향 경계—를 통해 발생할 수 있음을 보여준다. 이 결함들은 MgB2 구조와 유사하다. 초전도성이 50 GPa 이상에서 갑작스럽게 나타나며, 91 GPa에서 최대 임계온도 17 K를 기록한다. 이는 주변상의 hP12 상이 구조적으로 그대로 유지됨을 시기로한 동기광 X선 회절 및 이론적 계산을 통해 확인되었으며, 이는 결함이 있는 hP3 유사 영역에서 전자-음향파 상호작용이 발생함을 시사한다.

ABSTRACT

High-pressure electrical resistivity measurements reveal that the mechanical deformation of ultra-hard WB2 during compression induces superconductivity above 50 GPa with a maximum superconducting critical temperature, Tc of 17 K at 90 GPa. Upon further compression up to 190 GPa, the Tc gradually decreases. Theoretical calculations show that electron-phonon mediated superconductivity originates from the formation of metastable stacking faults and twin boundaries that exhibit a local structure resembling MgB2} (hP3, space group 191, prototype AlB2). Synchrotron x-ray diffraction measurements up to 145 GPa} show that the ambient pressure hP12 structure (space group 194, prototype WB2) continues to persist to this pressure, consistent with the formation of the planar defects above 50 GPa. The abrupt appearance of superconductivity under pressure does not coincide with a structural transition but instead with the formation and percolation of mechanically-induced stacking faults and twin boundaries. The results identify an alternate route for designing superconducting materials.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 WB2의 초전도성 기원을 규명하고자 하였다. 특히 대기압에서 낮은 Tc가 보고된 바가 있음에도 불구하고 이에 모순되는 결과가 있었기 때문이다.
• 열역학적으로 안정한 hP12 상이 Tc가 거의 없는 것으로 예측되는데도 불구하고 고압에서 높은 Tc(17 K)가 관측된다는 모순을 해결하고자 하였다.
• 초전도성의 발생 원인이 구조적 상전이인지, 결함을 통한 메커니즘인지 규명하고자 하였다.
• 다층 결함과 쌍방향 경계와 같은 비정상적인 평면 결함이 전자-음향파 상호작용을 통해 초전도성을 가능하게 하는 역할을 하는지 규명하고자 하였다.
• 기본적으로 초전도성이 없는 물질에 고압 조건에서 결함 공학을 통해 초전도성을 설계하는 새로운 원칙을 수립하고자 하였다.

제안 방법

• 고압 전기저항 측정은 다이아몬드 압력 세포(DAC)를 사용하여 4점 프로브 구성을 통해 수행되었으며, 최저 1.8 K, 최대 187 GPa의 압력 범위에서 저항도 측정하였다.
• 동기광 X선 회절(XRD)을 사용하여 최대 145 GPa까지의 구조적 변화를 모니터링하였으며, 대기압에서의 hP12 상(P6₃/mmc)이 압력 증가에 따라 c/a 비율이 일관되게 증가하는 것으로 확인되어 상전이가 발생하지 않았다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 경쟁하는 상들(hP12, hR6, hP3)의 자유에너지와 전자구조를 계산하였으며, 비정상적인 다층 결함 및 쌍방향 경계 구조도 포함하였다.
• 전자-음향파 상호작용은 Quantum Espresso에서 선형응답 방법을 사용하여 계산하였으며, 등방성 Eliashberg 방정식을 해석하여 hP3 유사 결함 영역의 Tc 예측을 수행하였다.
• 베르더파우 방법을 적용하여 측정된 저항에서 저항도를 추정하였으며, 등방성 평면 방향 성질을 가정하고, 시료 두께(~10 µm)와 기하학적 형상을 사용하였다.
• 루비 형광 압력 캘리브레이션을 사용하여 저온에서의 압력을 결정하였으며, 냉각 과정에서의 미세한 압력 이동에 대한 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 WB2는 구조적 상전이가 관측되지 않았음에도 불구하고 50 GPa 이상에서 갑작스럽게 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 대기압에서의 hP12 상이 Tc < 1 K로 예측되는데도 불구하고 91 GPa에서 높은 Tc(~17 K)가 관측된 원인은 무엇인가?
• RQ3 WB2에서 다층 결함과 쌍방향 경계와 같은 비정상적인 평면 결함이 MgB2 구조와 유사하게 초전도성을 지닐 수 있는가?
• RQ4 고압 조건에서 결함이 있는 hP3 유사 영역의 전자적 및 진동적 성질은 안정한 hP12 상과 비교하여 어떠한가?
• RQ5 관측된 초전도성은 진정한 상전이에 의해 유도된 것인지, 아니면 퍼지게 연결된 결함 네트워크에 의해 유도된 것인가?

주요 결과

• WB2의 초전도성은 50 GPa 이상에서 갑작스럽게 나타나며, 91 GPa에서 최대 Tc 17 K를 기록한 후 187 GPa까지 점진적으로 감소한다.
• 동기광 X선 회절 결과, 대기압에서의 hP12 상(P6₃/mmc)이 최대 145 GPa까지 유지되며, c/a 비율이 일관되게 증가함을 확인하여 구조적 상전이가 발생하지 않았다.
• DFT 계산 결과, 안정한 hP12 상은 연구된 모든 압력 범위에서 Tc < 1 K로 예측되며, 반면 비정상적인 hP3 상(AlB2 유사 구조)은 Tc 25–40 K로 예측된다.
• 이론적 분석을 통해 다층 결함과 쌍방향 경계가 국소적으로 hP3 유사 구조를 안정화시켜 전자-음향파 상호작용과 초전도성을 가능하게 한다고 규명되었다.
• 초전도성의 발생은 전체 구조 변화가 아니라 이러한 평면 결함의 퍼지기(percolation)와 관련되어 있어 갑작스러운 전이를 설명할 수 있다.
• 결과적으로, 비정상적인 결함을 고압 조건에서 공학적으로 설계함으로써 초전도성을 유도하는 새로운 길이 확립되었으며, 안정한 상전이가 필요 없이도 가능하다.