[논문 리뷰] Potential high-$T_{c}$ superconductivity in YCeH$_{x}$ and LaCeH$_{x}$ under pressure

Peng Song, Zhufeng Hou외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 진화적 결정구조 예측과 밀도함수이론 기반 계산을 통해 고압 조건에서 새로운 삼성화합물 수소화물 YCeHx 및 LaCeHx에서 고온 초전도성을 예측한다. $P\bar{6}m2$-YCeH18 상은 150 GPa에서 예측된 $T_c$가 173 K로, 복잡한 수소화합물 시스템에서 실용적인 고-$T_c$ 초전도성에 도달할 수 있는 유망한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Lanthanum, yttrium, and cerium hydrides are the three most well-known superconducting binary hydrides (La-H, Y-H, and Ce-H systems), which have gained great attention in both theoretical and experimental studies. Recent studies have shown that ternary hydrides composed of lanthanum and yttrium can achieve high superconductivity around 253 K. In this study we employ the evolutionary-algorithm-based crystal structure prediction (CSP) method and first-principles calculations to investigate the stability and superconductivity of ternary hydrides composed of (Y, Ce) and (La, Ce) under high pressure. Our calculations show that there are multiple stable phases in Y-Ce-H and La-Ce-H systems, among which $P4/mmm$-YCeH$_{8}$, $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$, $R\bar{3}m$-YCeH$_{20}$, $P4/mmm$-LaCeH$_{8}$, and $R\bar{3}m$-LaCeH$_{20}$ possessing H$_{18}$, H$_{29}$ and H$_{32}$ clathrate structures can maintain both the thermodynamic and lattice-dynamic stabilities. In addition, we also find that these phases also maintain a strong resistance to decomposition at high temperature. Electron-phonon coupling calculations show that only three of these five phases can exhibit high-temperature superconductivity. The superconducting transition temperatures ($T_\mathrm{c}$) of $R\bar{3}m$-YCeH$_{20}$, $R\bar{3}m$-LaCeH$_{20}$, and $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$ are predicted using the Allen-Dynes-modified McMillan formula to be 122 K at 300 GPa, 116 K at 250 GPa, and 173 K at 150 GPa, respectively. Moreover, the pressure to stabilize $P\bar{6}m2$-YCeH$_{18}$ can be lowered to 150 GPa, suggesting an accessible condition for its high-pressure synthesis.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 삼성화합물 Y-Ce-H 및 La-Ce-H 수소화물의 안정성과 초전도성 특성을 탐색하기 위해.
• 고도화된 계산 방법을 활용해 이 시스템 내에서 안정적이고, 동적으로 안정적이며, 초전도성인 상들을 규명하기 위해.
• 이중 초전도성 수소화물(예: Y-H, Ce-H, La-H)을 조합하여 새로운 삼성화합물 수소화물이 더 높은 $T_c$를 갖는지 확인하기 위해.
• 실험적으로 접근 가능한 압력에서 고-$T_c$ 초전도성을 달성할 수 있는지 타당성 평가하기 위해.
• 수소 네트워크 특성과 전자-음향파 쌍화 상호작용이 $T_c$ 값에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 100–400 GPa 범위에서 Y-Ce-H 및 La-Ce-H 시스템의 안정한 상을 탐색하기 위해 진화적 알고리즘 기반 결정구조 예측(CSP)을 활용하였다.
• 열역학적 및 격자 역학적 안정성을 평가하기 위해 일급 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 전자-음향파 쌍화 상호작용 계산 결과를 바탕으로 Allen-Dynes 수정 McMillan 공식을 사용해 초전도 전이 온도($T_c$)를 추정하였다.
• 수소 네트워크 특성($\phi$)과 $E_F$에서 수소 기여 DOS($H_{\mathrm{DOS}}$)를 활용해 Eq. 9에 기반한 ELF 기반 경험 모델을 적용해 $T_c$ 예측을 상호 검증하였다.
• H-H 결합 및 네트워크 특성을 정량화하기 위해 반경 분포 함수와 전자 국소화 함수(ELF)를 분석하였다.
• 고온 안정성을 평가하기 위해 음향분산 및 자유 에너지 계산을 통해 분해 저항성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 Y-Ce-H 및 La-Ce-H 시스템에 안정적이고, 동적으로 안정적이며, 초전도성인 상들이 존재하는가?
• RQ2 이중 초전도성 수소화물(Y-H, La-H, Ce-H)을 조합해 형성된 삼성화합물 수소화물이 이중 수소화물보다 더 높은 $T_c$를 갖는가?
• RQ3 가장 유망한 상들의 예측된 $T_c$는 얼마이며, 어느 압력에서 안정화될 수 있는가?
• RQ4 수소 네트워크 특성($\phi$)과 $E_F$에서의 $H_{\mathrm{DOS}}$는 서로 다른 모델에서의 $T_c$ 예측과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 압력 의존성은 Eq. (9)와 같은 경험적 $T_c$ 예측 모델의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $P\bar{6}m2$-YCeH18 상은 150 GPa에서 예측된 $T_c$가 173 K로, 연구된 모든 상들 중에서 가장 높은 값을 기록한다.
• $R\bar{3}m$-YCeH20 상은 300 GPa에서 $T_c$가 122 K로 나타나 고압 조건에서 강력한 초전도 잠재력을 보인다.
• $R\bar{3}m$-LaCeH20 상은 250 GPa에서 $T_c$가 116 K로 예측되어 랜타넘 기반 삼성화합물 수소화물에서 고-$T_c$ 행동을 확인한다.
• $P4/mmm$-YCeH8 및 $P4/mmm$-LaCeH8 상은 안정적이고 초전도성이며, 고온 초전도성과 일치하는 $T_c$ 값을 보인다.
• $P\bar{6}m2$-YCeH18 상은 열역학적 및 동적 안정성을 유지하며 고온에서도 분해에 강한 저항성을 보인다.
• 경험 모델 Eq. (9)는 압력 증가에 따라 $T_c$가 증가한다고 예측하지만, Allen-Dynes 공식의 추세와는 정반대이며, 이는 이 모델이 압력 의존성 및 f-전자를 포함한 시스템에 일반화하기 어려운 한계를 보여준다.