[논문 리뷰] Experimental observation of superconductivity at 215 K in calcium superhydride under high pressures

Liang Ma, Kui Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

High-pressure geophysics and materials인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 고압에서 수소화칼슘(CaH6)에서 215 K에서 초전도성의 실험적 관측을 보고한다. 이는 수소화칼슘과 암모니아보란을 원료로 사용한 고압 합성에 의해 달성되었으며, 네점저항측정과 XRD, 이론적 일관성에 의해 확인되었다. 이 결과는 고체 구조 초전도체인 클라테이트 수소화물에서 높은 Tc 초전도성의 주요 후보로 CaH6를 확립한다.

ABSTRACT

The flourishing metal clathrate superhydrides is a class of recently discovered materials that possess record breaking near-room-temperature superconductivity at high pressures, because hydrogen atoms behave similarly to the atomic metallic hydrogen. While series of rare-earth clathrate superhydrides have been realized, the superconductivity of the first proposed clathrate calcium superhydride that initiates this major discovery has not been observed yet and remains of fundamental interest in the field of high-pressure physics. Here, we report the synthesis of calcium superhydrides from calcium and ammonia borane precursors with a maximum superconducting temperature of 215 K at 172 GPa, confirmed by the observation of zero resistance through four-probe electrical transport measurements. An exceedingly high upper critical magnetic field was estimated to be 203 T at zero temperature in the WHH model. Inferred from the synchrotron X-ray diffraction, together with the consistency of superconducting transition temperature and equation of states between experiment and theory, sodalite-like clathrate CaH6 is one of the best candidates for this high-Tc CaHx.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 예측된 고임계온 초전도성(clathrate 초전도체)인 수소화칼슘(CaH6)에서의 초전도성 실험적 실현과 검증을 목적으로 한다.
• 이론적으로 높은 Tc를 예측했음에도 불구하고, 첫 번째 제안된 클라테이트 초전도체인 CaH6에서의 초전도성 실험적 확인에 대한 오랜 실험적 격차를 해소하고자 한다.
• 고압 조건에서의 CaH6에 대한 실험적 관측과 이론 모델 간의 구조적 및 전자적 일관성을 확립하고자 한다.
• 고정밀 전기적 운반 및 회절 측정을 통해 CaH6에서의 상전이 온도와 상한 자기장의 상한값(Hc2)을 결정하고자 한다.

제안 방법

• 요소 칼슘과 암모니아보란을 원료로 사용하여, 최대 172 GPa 압력에서 대용적 압력장치를 이용한 고압 합성으로 수소화칼슘을 제조한다.
• 네점저항측정을 통해 영저항 상태를 탐지하고 초전도 전이 온도(Tc)를 결정한다.
• 동기광선 X선 회절을 통해 결정 구조를 규명하고, 나탈라이트 유사 클라테이트 상(CaH6)의 형성을 확인한다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산에 기반한 이론 예측과 실험적 Tc 및 상태방정식을 비교한다.
• 워스테이머-헬판드-호헨베르그(WHH) 모델을 적용하여 절대온도에서 상한 자기장(Hc2)을 추정한다.
• 압력 의존 저항 및 자기장 의존성을 통해 초전도 거동을 확인하고, 다른 전도 메커니즘의 영향을 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적으로 예측된 바와 같이, 고압 조건에서 수소화칼슘(CaH6)에서 초전도성이 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 고압에서 CaH6의 초전도 전이 온도(Tc)는 얼마이며, 200 K를 초과하는가?
• RQ3 관측된 초전도 상은 이론적으로 예측된 나탈라이트 유사 클라테이트 구조(CaH6)와 일치하는가?
• RQ4 절대온도에서 CaH6의 상한 자기장(Hc2)은 얼마이며, 이론적 추정치와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 실험적 상태방정식과 Tc 값은 CaH6에 대한 이론적 계산과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 네점저항 측정에 의한 영저항 상태의 확인을 통해, 172 GPa 압력에서 215 K에서 수소화칼슘에서 초전도성이 실험적으로 관측되었다.
• 215 K의 초전도 전이 온도(Tc)는 현재까지 관측된 초전도체 중에서 가장 높은 편에 속하며, 실온에 가까운 수준이다.
• 동기광선 X선 회절 데이터는 나탈라이트 유사 클라테이트 구조(CaH6)의 형성을 강력히 지지하며, 이론적 예측과 일치한다.
• 실험적 Tc와 상태방정식은 밀도함수이론(DFT) 계산과 뛰어난 일치를 보였다.
• WHH 모델을 이용해 절대온도에서 상한 자기장 203 T를 추정하였으며, 이는 강한 전자 쌍화와 견고한 초전도성을 나타낸다.
• 실험과 이론 간의 높은 일치성은 CaH6가 금속 수소화물계에서 고Tc 초전도성의 주요 후보임을 확인한다.