[논문 리뷰] Superconductivity above 180 K in Ca-Mg Ternary Superhydrides at Megabar Pressures

Weizhao Cai, Vasily S. Minkov외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 11.

Hydrogen Storage and Materials인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초고압 조건에서 CaMg2 및 Ca-Mg 혼합물과 같은 원료를 사용하여 합성한 새로운 Ca-Mg 기반 삼성화물 수소화물에서 180 K 이상의 초전도 전이 온도를 입증한다. 전기 저항 측정 결과, 1:1 Ca-Mg 수소화물에서 324 GPa 압력에서 임계 온도(Tc)가 182 K로 관측되어 극한 조건에서 고온 초전도의 중요한 전진을 이룬다.

ABSTRACT

The discovery of high-temperature superconductivity above 240 K in binary La-H and Y-H systems inspired further predictions of even higher transition temperatures in compounds such as YH10 and MgH6, which are likely to be dynamically unstable. Ternary superhydrides provide alternative pathways to stabilize desired near-room temperature superconducting phases. However, the synthesis of new ternary hydrides remains challenging because most of the precursor reactants do not exist in desired stoichiometry at ambient conditions. Here we report that using the existing binary intermetallic CaMg2 and 1:1 Ca-Mg mixture as starting reactants, we have successfully synthesized novel Ca-Mg-based ternary superhydrides at megabar pressures. Electrical resistivity measurements show Tc approaching 168 K at 310 GPa in the CaMg2-based superhydride and 182 K in 1:1 the Ca-Mg superhydride at 324 GPa.

연구 동기 및 목표

• 초고압 조건에서 새로운 Ca-Mg 기반 삼성화물 수소화물을 안정화하여 고온 초전도를 달성하고자 한다.
• 실온 조건에서 비스토이키오메트릭 원료를 사용한 삼성화물 수소화물 합성을 극복하고자 한다.
• 삼성화물 수소화물이 근접 실온 초전도를 달성하기 위한 안정된 플랫폼이 될 잠재력을 탐색하고자 한다.
• Ca-Mg 기반 수소화물 시스템에서의 초전도 전이 온도가 압력에 따라 어떻게 변화하는지 규명하고자 한다.

제안 방법

• 초고압 합성을 위해 CaMg2와 1:1 Ca-Mg 혼합물을 원료로 사용하였다.
• 300 GPa 이상의 압력을 적용하기 위해 헥사고날 보론 nitride(hBN) 기반의 삼각 압축기에서 합성을 수행하였다.
• 초전도 전이를 탐지하기 위해 전기 저항 측정을 실시하였다.
• 복잡한 스토이키오메트리의 고립된 수소화물 상을 안정화하기 위해 초고압 기술을 적용하였다.
• 초전도 전이 온도(Tc)의 징후로 저항의 급격한 감소를 모니터링하였다.
• 다양한 수소화물 조성에서 Tc를 압력 의존적으로 맵핑하기 위해 압력 의존 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비스토이키오메트릭 원료를 사용하여 초고압 조건에서 Ca-Mg 기반 삼성화물 수소화물을 합성할 수 있는가?
• RQ2 극한 압력 하에서 Ca-Mg 기반 삼성화물 수소화물에서 도달할 수 있는 최대 Tc는 얼마인가?
• RQ3 CaMg2 유래와 1:1 Ca-Mg 유래 수소화물 간의 초전도 전이 온도는 어떻게 다름이 있는가?
• RQ4 삼성화물 수소화물이 이질적인 이론적 안정성이 있는 이원계 시스템에서 고Tc 초전도 상을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ5 초고압 조건에서 Ca-Mg 비율은 초전도 특성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 310 GPa에서 CaMg2 기반 수소화물에서 임계 온도(Tc)가 168 K로 관측되었다.
• 1:1 Ca-Mg 수소화물은 324 GPa에서 Tc가 182 K로 180 K를 초과하였다.
• 초전도 전이가 고압 조건에서 전기 저항의 급격한 감소를 통해 확인되었다.
• 실온에서 안정된 이원계 원료를 사용하여 안정된 삼성화물 수소화물을 합성하였다.
• 결과는 삼성화물 수소화물이 Tc가 180 K 이상인 초전도 상을 수용할 수 있음을 입증한다.
• 이 연구는 초고압 조건에서 복잡한 수소화물 시스템에서 고Tc 초전도를 달성할 수 있음을 확인한다.