[논문 리뷰] Direct Meissner Effect Observation of Superconductivity in Compressed H2S

Xiaoli Huang, Xin Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 09.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 28인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 수소 황화물(H2S)에서 메이스너 효과의 첫 번째 직접 관측을 보고하며, 149 GPa에서 임계 온도(Tc)가 183 K인 초전도성의 확인을 한다. 현장에서의 교류 자기화율 측정을 통해 저자들은 117 GPa에서 초전도성으로의 급격한 전이를 입증하였으며, 이는 이론 예측을 뒷받iesen하고 H2S가 수소 기반 수화물에서 고Tc 초전도체임을 입증한다.

ABSTRACT

Recently, an extremely high superconducting temperature (Tc) of ~200 K has been reported in the sulfur hydride system above 100 GPa. This result is supported by theoretical predictions and verified experimentally. The crystal structure of the superconducting phase was also identified experimentally, confirming the theoretically predicted structure as well as a decomposition mechanism from H2S to H3S+S. Even though nuclear resonant scattering has been successfully used to provide magnetic evidence for a superconducting state, a direct measurement of the important Meissner effect is still lacking. Here we report in situ alternating-current magnetic susceptibility measurements on compressed H2S under high pressures. It is shown that superconductivity suddenly appears at 117 GPa and that Tc reaches 183 K at 149 GPa before decreasing monotonically with a further increase in pressure. This evolution agrees with both theoretical calculations and earlier experimental measurements. The idea of conventional high temperature superconductivity in hydrogen-dominant compounds has thus been realized in the sulfur hydride system under hydrostatic pressure, opening further exciting perspectives for possibly realizing room temperature superconductivity in hydrogen-based compounds.

연구 동기 및 목표

• 압축된 H2S에서 초전도성의 핵심 징후인 메이스너 효과에 대한 직접 실험적 증거를 제공하는 것.
• 강력한 이론적 및 구조적 근거가 있음에도 불구하고 고압 H2S에서 초전도성에 대한 직접적인 자기적 증거가 장기간 부재한 문제를 해결하는 것.
• 수소계압력이 증가함에 따라 초전도 전이 온도(Tc)의 변화를 측정하는 것.
• 고압 조건에서 H2S 분해에 의해 형성된 H3S 상의 안정성과 초전도성 특성을 확인하는 것.

제안 방법

• 150 GPa까지의 압력에서 H2S 샘플을 삼각 압박기로 압축하여 현장에서의 교류 자기화율 측정을 수행하였다.
• 헬륨 기반의 압력 매체를 사용하여 수소압 조건을 확보하였다.
• 메이스너 효과의 특징인 반자성 스크리닝의 시작을 감지하기 위해 온도 및 압력에 따른 자기 반응을 모니터링하였다.
• 교류 자기화율 데이터에서 반자성 신호의 시작점에서 초전도 전이 온도(Tc)를 추출하였다.
• 실험 결과를 이론 예측 및 이전의 H2S와 H3S에 대한 실험 데이터와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 H2S는 직접 메이스너 효과를 나타내는가? 이는 간접 증거를 넘어서 초전도성을 확인하는가?
• RQ2 수소압 조건에서 H2S의 초전도 전이에 대한 정확한 압력 및 온도 의존성은 무엇인가?
• RQ3 관측된 H2S의 Tc는 수소 기반 수화물에 대한 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 H2S의 초전도 상은 이론적으로 예측되고 이전 실험에서 관측된 H3S 구조와 일치하는가?

주요 결과

• 압축된 H2S에서 메이스너 효과가 직접 관측되었으며, 반자성 반응의 급격한 시작이 117 GPa에서 관측되었다.
• 초전도 전이 온도(Tc)는 149 GPa에서 최대 183 K에 도달한 후 추가적인 압력 증가에 따라 감소하였다.
• 관측된 Tc의 변화는 이론 계산 및 이전의 H2S 실험 결과와 일치하였다.
• 초전도 상은 H2S의 고압 조건에서 분해를 통해 형성된 H3S 구조와 일치하였다.
• 수소가 주를 이루는 화합물에서의 전통적 초전도성은 고압 조건에서 매우 높은 Tc를 달성할 수 있음을 확인하였다.
• 이 연구는 향후 수소 기반 물질에서 실온 초전도성 탐색을 위한 중요한 기준을 설정한다.