[논문 리뷰] Superconductivity above 100 K in PH3 at high pressures

А. П. Дроздов, M. I. Eremets외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 25.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 14인용 수 76

한 줄 요약

이 연구는 H3S에서 관측된 203 K의 Tc와 유사하게, 고압 조건에서 인하이드라이드(H3S)의 초임계 전도체로서의 성질을 고려할 때, 200 GPa 이상의 고압에서 인화수소(PH3)에서 100 K 이상의 초전도 전이가 관측됨을 보고한다. 이는 네점저항 측정을 통해 확인되었으며, 이는 공유결합 수소화물에서 고온 초전도성의 범위를 확장함을 시사한다. 이는 수소화물이 고온 초전도성의 잠재적 클래스로 부상하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Following the recent discovery of very high temperature conventional superconductivity in sulfur hydride (critical temperature Tc of 203 K, Ref1) we searched for superconductivity in other hydrides and found that a covalent hydride phosphine (PH3) also exhibits a high Tc >100 K at pressure P > 200 GPa as determined from four-probe electrical measurements.

연구 동기 및 목표

• H3S에서 Tc = 203 K로 관측된 초전도성 이외에, 고압에서 인화수소(PH3)의 초전도성 거동을 조사하기 위해.
• H3S 이외의 다른 수소화물에서도 고온 초전도성이 존재할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 극한 압력 조건에서 직접 전기적 측정을 통해 PH3의 임계온도(Tc)를 결정하기 위해.
• 공유결합 수소화물에서 Tc > 100 K를 설명할 수 있는 전자-격자 결합 메커니즘이 일반적인 초전도성 메커니즘인지 규명하기 위해.

제안 방법

• 200 GPa 이상의 압력을 적용하기 위해 고압 실험을 삼각 압축기로 수행하였다.
• 네점저항 전기저항 측정을 통해 초전도 전이를 감지하여 Tc의 정확한 결정을 확보하였다.
• 고압 조건에서 BN 또는 다이아몬드 압축기 내에서 단일결정 또는 다결정 PH3 시료를 압축하여 실험을 수행하였다.
• 저항도의 압력 의존성을 측정하여 영저항 상태의 시작점을 확인함으로써 초전도성을 규명하였다.
• 수소화물 내 전자-격자 결합의 맥락에서 관측된 Tc를 해석하기 위해 이론적 분석을 수행하였다.
• 다른 수소화물 시스템에서의 Tc 변화 추세를 평가하기 위해 황수소화물(H3S)과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인화수소(PH3)는 고압에서 초전도성을 나타내는가? 만약 그렇다면, 임계온도는 얼마인가?
• RQ2 PH3의 Tc는 100 K를 초과하는가? 이는 고온 초전도체의 범주에 속하는가?
• RQ3 PH3의 초전도 전이가 H3S와 비교하여 압력 의존성과 Tc 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 PH3와 같은 공유결합 수소화물에서 고온 초전도성을 가능하게 하는 전자-격자 결합의 역할은 무엇인가?
• RQ5 극한 압력 조건에서 일반적인 초전도 메커니즘이 PH3에서 Tc > 100 K를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• PH3는 200 GPa 이상의 압력에서 Tc > 100 K의 초전도성을 나타낸다.
• 네점저항 전기저항 측정을 통해 초전도 전이가 확인되었으며, 저항이 급격히 영저항 상태로 떨어지는 것으로 나타났다.
• 관측된 PH3의 Tc는 이전에 보고된 H3S의 203 K보다는 현저히 낮지만 여전히 100 K를 초과하여, 일반적인 초전도체 중에서 가장 높은 Tc를 가진다.
• PH3의 초전도 거동은 비정상적인 쌍정의 증거가 없었기 때문에 일반적인 전자-격자 결합 메커니즘과 일치한다.
• 강한 비선형 격자 진동과 높은 수소 농도를 가진 수소화물은 고온 초전도성의 잠재적 후보로 부상하고 있다.
• 이 연구는 고온 초전도성이 H3S에 국한되지 않으며, 극한 압력 조건에서 다른 수소화물, 예를 들어 PH3에서도 나타날 수 있음을 확인하였다.