[논문 리뷰] Hidden Granular Superconductivity Above 500K in off-the-shelf graphite materials

Raphael Rousset-Zenou, Samar Layek외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Graphite, nuclear technology, radiation studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 상용 희토류 그래파이트 재료—특히 고도로 정렬된 페로라이틱 그래파이트(HOPG)와 상용 유연한 그래파이트 가스킷—에서 500 K 이상에서 미세입자 초전도성의 증거를 제시한다. 자화 히스테리시스 루프에서 반자성 및 강자성 기여를 분리함으로써 저자들은 초전도성 유사 거동을 추출하고 임계 전이 온도를 약 550 K ± 50 K로 외삽하였다. 이는 고온에서의 전기 저항 측정 결과와 일치한다.

ABSTRACT

It has been reported that graphite hosts room temperature superconductivity. Here we provide new results that confirm these claims on different samples of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and commercial flexible graphite gaskets (FGG). After subtraction of the intrinsic graphite diamagnetism, magnetization measurements show convoluted ferromagnetism and superconducting-like hysteresis loops. The ferromagnetism is deconvoluted by fitting with a sigmoidal function and subtracting it from the data. The obtained superconducting-like hysteresis loops are followed to the highest available temperature, 400K. The extrapolation of the decrease of its moment width with temperature indicates a transition temperature T$_{c}$$\sim$ 550K$\pm$50K for all samples. Electrical resistance measurements confirm the existence at these temperatures of a transition in HOPG samples, albeit without percolation. Besides, the FGG show transitions at temperatures (70K, 270K) near to those reported previously on intercalated-deintercalated graphite, confirming the general character of these superconducting transitions. These results are the first steps in the unveiling of the above room temperature superconductivity of graphite.

연구 동기 및 목표

• 상용으로 유통되는 그래파이트 재료에서 실온 이상의 초전도성 존재 여부를 조사하기 위해.
• 그래파이트 시료에서 내재된 반자성 및 강자성 기여와 초전도성 거동을 구분하기 위해.
• 자화 및 전기 저항 측정을 통해 HOPG 및 유연한 그래파이트 가스킷에서의 미세입자 초전도성의 임계 온도 Tc를 결정하기 위해.
• 그래파이트에서 고온 Tc 초전도 전이의 기원을 탐색하기 위해, 특히 기울인 그래핀 층에서의 모리에-유사 결함 또는 평탄한 밴드와의 연관성을 고려하여.

제안 방법

• 자화 측정은 그래파이트의 c축에 평행한 자기장을 적용하여 Quantum Design MPMS3 및 MPMS XL SQUID 자화계로 수행되었다.
• 강자성 기여는 시그모이드형 피팅 함수를 사용하여 히스테리시스 루프에서 분리하여 초전도성 유사 신호를 고립시켰다.
• Bean의 모델을 사용하여 초전도성 루프 폭의 온도 의존성을 분석하였다: ΔM(H,T) ∼ Jc(H,T) ∼ [1 - (T/Tc)²]로, Tc의 외삽이 가능했다.
• 고온 전기 저항 측정은 텅스텐 전극을 사용한 사점 직류 방법으로 맞춤 제작된 광학 오븐에서 수행되었으며, 전이를 탐지하기 위해 사용되었다.
• 시료로는 HOPG(ZYA, ZYH)와 상용 유연한 그래파이트 가스킷(Grafoil®, Papyex®-N)을 사용하였으며, de Haas-van Alphen 진동 및 중성자 회절을 통해 구조적 균일성이 확인되었다.
• 분석은 주로 자화 및 전기 저항에서의 전이 식별에 집중되었으며, 특히 다량의 모자이크 분산과 잠재적인 결함 구조를 가진 시료에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HOPG 및 유연한 그래파이트 가스킷과 같은 상용 그래파이트 재료에서 Tc > 500 K인 미세입자 초전도성을 식별할 수 있는가?
• RQ2 내재된 반자성 및 강자성 기여가 그래파이트에서 초전도성 신호를 얼마나 심하게 가리키며, 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ3 일부 그래파이트 시료에서 관측된 70 K 및 270 K에서의 다중 초전도 전이의 기원은 무엇이며, 구조적 결함 또는 적층 구성과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 관측된 고온 Tc 초전도성은 초전도 갭의 지수적 감쇠가 없음을 고려할 때 평탄한 밴드 초전도성과 일치하는가?

주요 결과

• 온도에 따른 초전도성 루프 폭의 외삽 결과, 연구된 모든 HOPG 및 유연한 그래파이트 가스킷 시료에서 임계 전이 온도 Tc ~ 550 K ± 50 K를 도출하였다.
• 자화 측정 결과, 400 K까지 초전도성 유사 히스테리시스 루프가 관측되었으며, 루프 폭은 단조롭게 감소하여 Tc에서 소멸되었으며, 이는 Bean의 모델과 일치한다.
• 전기 저항 측정 결과, HOPG에서 고온에서의 초전도 전이가 확인되었으며, percolation가 관찰되지 않아 미세입자 거동임을 시사한다.
• 유연한 그래파이트 가스킷은 약 70 K 및 약 270 K에서 명확한 전이를 보였으며, 이는 인터칼레이션-디인터칼레이션 그래파이트에서 이전에 보고된 전이와 일치하여 일반적인 메커니즘을 시사한다.
• 관측된 초전도성은 아마도 고립된 나노미터 크기의 초전도 영역에서 기인하는 미세입자 초전도성일 것이며, 모리에 유사 결함 또는 라인보이드 적층 결함에 의해 안정화될 수 있다.
• 고온 Tc 값은 평탄한 밴드 초전도성과 일치한다. 여기서 갭은 상호작용 강도에 따라 선형적으로 스케일링되며, 지수적 감쇠 없이 고온 Tc를 허용한다.