[논문 리뷰] Superconductivity above 120 kelvin in a chain link molecule

Ren‐Shu Wang, Yun Gao외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 16인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 고체 상태 도핑과 고온 열처리를 통해 고리형 연결된 유기 분자인 칼륨 도핑된 p-테르펜릴에서 123 K에서 초전도성을 입증한다. 초전도 전이 는 SQUID 자화도 측정과 라만 스펙트럼 측정을 통해 날카로운 마이스너 효과 서명을 확인하였으며, 이는 대기압에서 분자 초전도체에서 고임계 초전도성과 관련된 비극성 상태와 구조적 변화를 드러낸다.

ABSTRACT

The search for new superconducting compounds with higher critical temperatures $T_{c}^{\prime}$s has long been the very heart of scientific research on superconductivity. It took 75 years for scientists to push the $T_{c}$ above liquid nitrogen boiling temperature since the discovery of superconductivity. So far, the record high $T_{c}$ of about 130 K at atmosphere pressure was reported in some multilayer Hg(Tl)-Ba-Ca-Cu-O compounds. Meanwhile, sulfur hydride system holds the highest $T_{c}$ of around 200 K at high pressure of about 150 GPa. While keeping these records for superconductivity, either the toxicity of these superconductors or the requirement of extreme pressure condition for superconductivity limits their technology applications. Here we show that doping a chain link molecule $-$ $p$-terphenyl by potassium can bring about superconductivity at 123 K at atmosphere pressure, which is comparable to the highest $T_{c}$ in cuprates. The easy processability, light weight, durability of plastics, and environmental friendliness of this kind of new superconductor have great potential for the fine-tuning of electrical properties. This study opens a window for exploring high temperature superconductivity in chain link organic molecules.

연구 동기 및 목표

• 연장된 체인 구조를 가진 유기 분자 시스템에서 고온 초전도성의 가능성을 탐색하기 위해.
• p-테르펜릴과 같은 고리형 연결된 방향족 분자가 대기압에서 120 K 이상의 초전도성을 가질 수 있는지 확인하기 위해.
• 도핑에 의해 유도된 폴라론과 비극성 상태가 유기 반도체에서 고임계 초전도성의 기여 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 간단한 유기 물질을 사용하여 확장 가능하고 환경에 친화적인 분자 초전도체 제조 방법을 확립하기 위해.

제안 방법

• 정제된 p-테르펜릴(99.5%)을 고순도 칼륨(99%)과 3:1 몰비로 혼합하였다.
• 고진공(1 × 10⁻⁴ Pa) 조건에서 퀀츠 튜브에 밀봉하고 443–533 K에서 24–168시간 동안 열처리하였다.
• 취급 및 측정를 위해 산소/수분 농도 1 ppm 미만의 초고순도 글러브박스로 시료를 이송하였다.
• SQUID 자화도계(Quantum Design MPMS3)를 사용하여 1.8–300 K 범위에서 외부자장 냉각 및 영자장 냉각 조건 하에 DC 자화도를 측정하였다.
• 실온에서 660 nm 레이저(출력 <1 mW)를 사용하여 진동 모드를 조사하고 폴라론/비극성 서명을 탐지하기 위해 라만 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 자화도의 외부 자기장 의존성을 측정하여 마이스너 효과를 확인하고 상한 임계자장 Hc2를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칼륨 도핑을 통해 고리형 연결된 유기 분자인 p-테르펜릴이 120 K 이상의 초전도성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이 분자 시스템에서 고임계 초전도성의 매개 역할을 하는 폴라론과 비극성 상태의 기여는 무엇인가?
• RQ3 도핑된 p-테르펜릴의 구조적 및 진동적 변화는 초전도성의 발생과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 올리고페닐렌의 도핑 농도와 분자 구조를 조절함으로써 초전도 전이 온도를 조절할 수 있는가?
• RQ5 관측된 p-테르펜릴의 초전도성은 스핀이 없는 비극성 상태에 의해 매개되는 BCS 유사 쌍성과 일치하는가?

주요 결과

• 필드 냉각 및 영자장 냉각 측정 모두에서 자화도의 급격한 감소를 통해 칼륨 도핑된 p-테르펜릴에서 123 K에서 명확한 초전도성이 관측되었다.
• 100 K에서 130 Oe 이하의 외부 자기장에 따라 자화도가 선형 감소하는 것으로 나타나, 이는 타입-II 초전도체 상태임을 확인하였다.
• 자기장 증가에 따라 초전도 전이 온도가 체계적으로 감소하였으며, 100 K에서 상한 임계자장 Hc2가 3 T를 초과하는 것으로 추정되었다.
• 라만 스펙트럼에서 1474 cm⁻¹ 및 1216 cm⁻¹에 새로운 피크가 나타나 비극성 상태의 존재를 확인하였고, C–C 진동 모드가 1290, 1313, 1348 cm⁻¹로 이완된 것으로 나타났다.
• C–H 진동 모드의 감쇠와 함께 771 cm⁻¹ 및 1165 cm⁻¹에 나타나는 폴라론 모드는 도핑에 의한 전자 구조의 급격한 재조직을 시사한다.
• 강한 라만 피크와 고주파수 병렬 피크의 존재로 나타나는 높은 비극성 농도는 123 K의 고임계 초전도성과의 강한 상관관계를 보이며, 비극성 상태와 고임계 초전도성 간의 밀접한 연관성을 시사한다.