[논문 리뷰] Quantifying the nonadiabaticity strength constant in recently discovered highly-compressed superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 12.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences참고 문헌 107인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 최근에 발견된 고압 초전도체인 수소화물, 인의 동소체, 그리고 원소 탠탄 및 탄탈룸 수소화물에서 비단열성 강도 상수 $T_\theta/T_F$를 정량화한다. 실험 데이터를 바탕으로, δ-Ti와 검은 인은 A15 초전도체와 유사한 $T_\theta/T_F$ 값을 보이며, 수소화물과薰색 인은 $H_3S$와 $LaH_{10}$와 유사한 값을 보여, 고-$T_c$ 초전도성에 영향을 주는 비단열성 효과의 다양성을 시사한다.

ABSTRACT

Superconductivity in highly-pressurized hydrides became primary direction for the exploration of fundamental upper limit for the superconducting transition temperature, Tc, after Drozdov et al (Nature 2015, 525, 73) discovered superconducting state with $T_c=203 K$ in highly-compressed sulphur hydride. To date several dozens of high-temperature superconducting polyhydrides have been discovered. In addition, recently, it was reported that highly-compressed titanium and scandium exhibit record-high $T_c$ (up to 36 K), which is by manifold exceeded $T_c=9.2 K$ of niobium, which is the record high-$T_c$ ambient pressure metallic superconductor. Here we analysed experimental data on for recently discovered high-pressure superconductors (which exhibit high transition temperatures within their classes): elemental titanium (Zhang et al, Nature Communications 2022; Liu et al, Phys. Rev. B 2022), $TaH_3$ (He et al, Chinese Phys. Lett. 2023), $LaBeH_8$ (Song et al, Phys. Rev. Lett. 2023), and black (Li et al, Proc. Natl. Acad. Sci. 2018) and violet (Wu et al, arXiv 2023) phosphorous, to reveal the nonadiabaticity strength constant, $T_θ/T_F$ (where $T_θ$ is the Debye temperature, and $T_F$ the Fermi temperature) in these superconductors. The analysis showed that $δ$-phase of titanium and black phosphorous exhibit the $T_θ/T_F$ which are nearly identical to ones associated in A15 superconductors, while studied hydrides and violet phosphorous exhibit the constants in the same ballpark with $H_3S$ and $LaH_{10}$.

연구 동기 및 목표

• 최근에 발견된 고압 초전도체에서 비단열성 강도 상수 $T_\theta/T_F$를 평가하기.
• 수소화물, 인, 원소 금속을 포함한 다양한 고-$T_c$ 초전도체 물질 간의 비단열성 정도를 비교하기.
• 비단열성 효과가 이러한 물질들에서 관찰되는 고임계온도에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 평가하기.
• 대기압에서 200 K 이상 또는 기록적인 값을 근접하는 초전도성 물질에 대해 비단열성의 정량적 기준을 제공하기.

제안 방법

• 고압 초전도체에서의 실험 데이터 분석, 즉 $T_c$, 딜라 온도 $T_\theta$, 그리고 페르미 온도 $T_F$.
• 측정되거나 유도된 $T_\theta$ 및 $T_F$ 값들을 사용하여 비단열성 강도 상수 $T_\theta/T_F$ 계산하기.
• 수소화물, 인의 동소체, 원소 금속 등 다양한 초전도체 계열 간의 $T_\theta/T_F$ 값 비교하기.
• 기존의 $T_\theta$와 격자 진동 스펙트럼 간의 관계, 그리고 전자 구조 데이터로부터 유도된 $T_F$ 사용하기.
• 기존의 초전도체인 $H_3S$, $LaH_{10}$, A15 화합물과의 비교를 바탕으로 물질들을 분류하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근에 발견된 고압 초전도체인 $LaBeH_8$, $TaH_3$, 그리고 인의 동소체에서 비단열성 강도 상수 $T_\theta/T_F$의 값은 무엇인가?
• RQ2 이러한 물질들의 비단열성은 $H_3S$와 $LaH_{10}$와 비교하여 어떻게 다를까? 이들은 고-$T_c$ 수소화물의 기준으로 사용된다.
• RQ3 원소 탠탄과 인에서의 $T_\theta/T_F$ 값은 A15 초전도체와 어느 정도 유사한가?
• RQ4 다양한 고-$T_c$ 수소화물 및 비수소화물 초전도체 간에 비단열성에 대한 일관된 경향성이 나타나는가?

주요 결과

• δ-티타늄의 $T_\theta/T_F$ 값은 A15 초전도체와 거의 동일하여 유사한 비단열성 효과를 나타낸다.
• 검은 인은 A15 화합물과 정량적으로 유사한 $T_\theta/T_F$ 값을 보이며, 공통된 비단열성 특성을 가짐을 시사한다.
• $LaBeH_8$, $TaH_3$, 그리고薰색 인에서의 비단열성 강도 상수는 $H_3S$와 $LaH_{10}$에서 관찰된 범위와 동일한 수준이다.
• 이러한 발견들은 비단열성 효과가 고-$T_c$ 초전도체, 특히 수소화물과 특정 원소 시스템에서 공통적인 특징임을 시사한다.
• 본 연구는 다양한 고압 초전도체 물질 간의 비단열성 비교를 위한 정량적 프레임워크를 수립한다.