[논문 리뷰] Road to Room-Temperature Superconductivity: Tc above 260 K in Lanthanum Superhydride under Pressure

Russell J. Hemley, Muhtar Ahart외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 08.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 35인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 초임계 합성 및 전기적 측정을 통해 200 GPa 정도의 압력에서 260 K 이상의 온도에서 랜타노스 초수화물(LaH10)에서 초전도성의 실험적 확인을 보고한다. 이 결과는 수소 빈도가 높은 수화물에서 고임계온도 초전도성 이론 예측을 검증하며, 극한 압력 하에서 설계된 재료를 통한 실온 초전도성 달성에 있어 중대한 발전을 이룬다.

ABSTRACT

The use of high pressure to realize superconductivity in the vicinity of room temperature has a long history, much of it focused on achieving this in hydrogen rich materials. This paper provides a brief overview of the work presented at this May 2018 conference, together with background on motivation and techniques, the theoretical predictions of superconductivity in lanthanum hydride, and the subsequent experimental confirmation. Theoretical calculations using density functional based structure search methods combined with BCS type models predicted a new class of dense, hydrogen rich materials superhydrides with superconducting critical temperatures in the vicinity of room temperature at and above 200 GPa pressures. The existence of a series of these phases in the La H system was subsequently confirmed experimentally, and techniques were developed for their syntheses and characterization, including measurements of structural and transport properties, at megabar pressures. Four probe electrical transport measurements of a cubic phase identified as LaH10 display signatures of superconductivity at temperatures above 260 K near 200 GPa. The results are supported by pseudo four probe conductivity measurements, critical current determinations, low-temperature xray diffraction, and magnetic susceptibility measurements. The measured high Tc is in excellent agreement with the original calculations. The experiments also reveal additional superconducting phases with Tc between 150 K and above 260 K. This effort highlights the novel physics in hydrogen-rich materials at high densities, the success of materials by design in the discovery and creation of new materials, and the possibility of new classes of superconductors Tc at and above room temperature.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 랜타노스 수화물(LaH10)의 이론적 예측된 고임계온도(Tc) 초전도성의 실험적 검증
• 메타안정 상태이자 밀도가 높은 수화물 상의 메가바 압력에서의 합성 및 특성 분석 기술 개발
• 전기적 운반 및 자성 측정을 통한 랜타노스 초수화물의 초전도 전이 확인 및 규명
• 고압 공학을 통한 실온 초전도성 달성을 위한 수소 빈도가 높은 재료의 잠재력 탐색
• 설계 기반 재료의 실현 가능성을 입증하여 Tc가 실온 또는 그 이상인 새로운 초전도체 발견

제안 방법

• 밀도함수 이론 기반의 구조 탐색과 BCS 유형 모델을 조합하여 랜타노스 수화물에서의 초전도 상 예측
• 200 GPa 이상의 압력에서 토이로이드 입방 압착기(토이로이드 큐빅 앤빌 프레스)를 사용하여 입방 LaH10 및 기타 수화물 상 합성
• 초전도 전이 및 임계 전류 임계값을 탐지하기 위해 네단자 전기적 운반 측정 수행
• 저온 X선 회절 측정을 통해 고압 조건에서의 구조적 안정성 및 상 정체성 확인
• 메이스너 효과 유사 행동 및 초전도 전이를 확인하기 위해 자화율 측정 수행
• 고압 환경에서의 접촉 저항 영향 최소화 및 신호 정밀도 향상을 위해 가짜 네단자 전도도 측정 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 예측된 고임계온도 초전도성은 극한 압력 하에서 실험적으로 확인 가능한가?
• RQ2 200 GPa 근처의 압력에서 입방 상 LaH10의 초전도 전이 온도는 얼마인가?
• RQ3 La-H 계에서 Tc 값이 150 K 이상인 다수의 초전도 상이 존재하는가?
• RQ4 고압 합성 및 운반 측정은 설계 기반 재료 접근법의 초전도체 발견에 얼마나 잘 검증되는가?
• RQ5 밀도가 높은 수화물의 구조적 및 전자적 성질은 초전도 전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 입방 상 랜타노스 초수화물(LaH10)은 약 200 GPa의 압력에서 Tc > 260 K의 초전도성을 나타낸다.
• 네단자 전기적 운반 측정 결과, Tc 이하에서 저항이 급격히 감소하여 초전도 행동을 확인하였다.
• 가짜 네단자 전도도 측정 결과는 초전도 전이를 지지하며, 접촉 저항의 오염 효과를 배제하였다.
• 저온 X선 회절 측정 결과, 고압 조건에서 합성된 LaH10 시료의 구조적 완전성 및 상 순도를 확인하였다.
• 자화율 측정 결과, Tc 이하에서 반자성 반응을 보이며 메이스너 효과 및 부피 초전도성과 일치하였다.
• Tc 값이 150 K에서 260 K 이상인 추가적인 초전도 상이 확인되어 La-H 계에서 다양한 초전도 행동이 존재함을 시사하였다.