[논문 리뷰] No evidence of superconductivity in the compressed sample prepared from the lutetium foil and H2/N2 gas mixture

Shu Cai, Jing Guo외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 06.

Luminescence Properties of Advanced MaterialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 루테튬 산화물 필름과 고압에서 H2/N2 기체 혼합물로 합성된 리트루튬-수소-질소(Lu-H-N) 화합물에서 근접 대기압 초전도성의 주장에 대해 조사한다. 합성 방법을 재현했음에도 불구하고, 전기 저항도 및 자화율 측정 결과에서 3.4 GPa 이하 및 100 K 이하에서 초전도성의 증거를 발견하지 못했으며, 1800 °C로 레이저 가열한 후에도 샘플은 항상 어두운 파란색을 유지하면서도 초전도성은 관찰되지 않았다.

ABSTRACT

A material described as lutetium-hydrogen-nitrogen (Lu-H-N in short) was recently claimed to have near-ambient superconductivity[Gammon et al, Nature 615, 244, 2023]. If the results could be reproduced by other teams, it would be a major scientific breakthrough. Here, we report our results of transport and structure measurements on a material prepared using the same method as that reported by Gammon et al. Our X-ray diffraction measurements indicated that the obtained sample contained three substances: the FCC-1 phase (Fm-3m) with a lattice parameter a=5.03 Å, the FCC-2 phase (Fm-3m) with a lattice parameter a= 4.755 Å and Lu metal. These two FCC phases are identical to the those reported in the so-called near-ambient superconductor. However, we found that the samples had no evidence of superconductivity, through our resistance measurements in the temperature range of 300 - 4 K and pressure range of 0.9 - 3.4 GPa, and our magnetic susceptibility measurements in the pressure range of 0.8-3.3 GPa and temperature down to 100 K. We also used a laser heating technique to heat the sample to 1800°C and found no superconductivity in the produced dark blue samples below 6.5 GPa. In addition, the color of the both samples remain dark blue in the pressure range investigated.

연구 동기 및 목표

• Gammon 등이 2023년 네이처에 발표한 Lu-H-N에서의 근접 대기압 초전도성 주장의 독립적 검증을 목적으로 한다.
• 동일한 방법인 루테튬 필름을 H2/N2 기체 혼합물로 고압 처리하여 Lu-H-N 화합물의 합성을 재현한다.
• 고압 및 고온 조건에서 생성된 샘플의 전기적 및 자성 성질을 조사한다.
• 관측된 어두운 파란색 상 두 개의 FCC 구조(a = 5.03 Å 및 4.755 Å)가 초전도성 행동을 나타내는지 확인한다.

제안 방법

• 루테튬 필름과 H2/N2 기체 혼합물을 고압에서 처리하여 Lu-H-N 화합물의 고압 합성을 수행하고, 헥사고날 보로닉 나이트라이드(h-BN)를 압력 매체로 사용한다.
• X선 회절(XRD)을 통해 존재하는 결정상 구조를 확인하고, 두 개의 FCC 상(Fm-3m)과 금속성 루테튬의 존재를 확인한다.
• 0.9~3.4 GPa 범위의 압력에서 300 K~4 K 온도 범위의 전기 저항 측정을 통해 초전도 전이 여부를 탐지한다.
• 0.8~3.3 GPa 범위의 압력에서 100 K~0 K 온도 범위의 자화율 측정을 통해 메이서너 효과 유사 행동 여부를 탐지한다.
• 고압 조건에서 샘플을 1800 °C로 레이저 가열하여 안정성과 생성된 어두운 파란색 상의 잠재적 초전도성 행동을 평가한다.
• 6.5 GPa까지의 압력 범위에서 색상 관찰 및 상 안정성 모니터링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gammon 등이 보고한 바와 동일한 방법으로 합성된 Lu-H-N 화합물이 대기압 및 근접 대기압 조건에서 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 샘플에서 관측된 두 개의 FCC 상(a = 5.03 Å 및 4.755 Å)이 원래 주장에서 제안한 초전도 상과 일치하는가?
• RQ3 3.4 GPa 이하 및 100 K 이하에서 저항도 또는 자화율 측정을 통해 초전도 전이가 탐지되는가?
• RQ4 1800 °C로 레이저 가열이 고압에서 형성된 어두운 파란색 상의 초전도성 행동을 유도하거나 안정화시키는가?
• RQ5 모든 압력 및 온도 조건에서 지속적으로 유지되는 어두운 파란색 색상이 초전도 상의 존재와 관련이 있는가?

주요 결과

• X선 회절을 통해 원래 연구에서 보고된 바와 동일한 두 개의 FCC 상(Fm-3m)이 확인되었으며, 격자 상수 a = 5.03 Å 및 a = 4.755 Å로 일치한다.
• 0.9~3.4 GPa 압력 범위에서 300 K~4 K 온도 범위의 저항 측정 결과에서 초전도 전이가 관찰되지 않았다.
• 0.8~3.3 GPa 압력 범위에서 100 K~0 K 온도 범위의 자화율 측정 결과에서 반자성 차폐 또는 메이서너 효과가 관찰되지 않았다.
• 1800 °C로 레이저 가열한 결과, 6.5 GPa까지의 압력 범위에서 초전도성이 발생하지 않았다.
• 모든 압력 및 온도 조건에서 샘플은 어두운 파란색을 유지하면서 초전도성과 관련된 상 변화가 없음을 나타낸다.
• 합성 방법과 상 구조 확인을 재현했음에도 불구하고, 테스트된 모든 조건에서 초전도성의 증거는 발견되지 않았다.