[논문 리뷰] Superconductivity above 500 K in conductors made by bringing n-alkane into contact with graphite

Yasushi Kawashima|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 15.

Fiber-reinforced polymer composites인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 n-알칸(C7–C16)을 페인트 기반 그래파이트 섬유와 접촉시켜 형성된 복합재료에서 가열 중 저항 급감이 관찰되어 500 K 이상의 초전도 전이가 발생했음을 보고한다. 임계 온도(Tc)는 363.08 K에서 504.24 K 사이이며, 전이 폭이 0.15 K에 이르기까지 매우 좁아, 이러한 유기-무기 이방성 구조에서 고품질의 초전도 거동가 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

In 1986, a cuprate superconductor (Ba-La-Cu-O system) having a critical temperature which goes over the BCS limit (~30 K) was discovered and then a cuprate superconductor (Y-Ba-Cu-O system) with a critical temperature higher than 77 K was discovered. Furthermore, a Hg-based cuprate with a critical temperature of 133 K was found. The 133 K is still the highest critical temperature of conventional superconductors under atmospheric pressure. We have shown that materials obtained by bringing n-alkanes into contact with graphite are capable of conducting electricity with almost no energy loss at room temperature. We here report that the sudden jump in resistance showing a phase transition is observed in the materials during heating by two-probe resistance measurement. The measured critical temperatures of the materials consisting of pitch-based graphite fibers and n-alkanes having 7-16 carbon atoms range from 363.08 to 504.24 K and the transition widths range between 0.15 and 3.01 K. We also demonstrate that superconductors with critical temperatures beyond 504 K are obtained by alkanes with 16 or more carbon atoms.

연구 동기 및 목표

• 고온에서 n-알칸/그래파이트 복합재의 전기적 운반 성질을 조사하기 위해.
• 대기압 조건에서 이러한 하이브리드 재료에서 초전도 전이가 발생하는지 확인하기 위해.
• 복합체계에서 알칸 사슬 길이와 임계 온도(Tc) 사이의 관계를 탐색하기 위해.
• 탄소 기반 유기-무기 이방성 구조에서 고Tc 초전도가 나타나는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 페인트 기반 그래파이트 섬유를 제조하고, 이를 n-알칸(C7–C16)과 접촉시켜 복합 도체를 형성하기 위해.
• 제어된 가열 사이클 중 이중 측정 저항 측정을 통해 상전이를 탐지하기 위해.
• 알칸 사슬 길이(C7에서 C16까지 및 그 이상)를 체계적으로 변화시켜 Tc 의존성 평가하기 위해.
• 저항-온도 곡선 분석을 통해 초전도 전이를 나타내는 급격한 저항 감소를 식별하기 위해.
• 온도 의존 저항률 데이터를 활용해 임계 온도(Tc)와 전이 폭을 추출하기 위해.
• 탄소 수 16개 이상인 알칸을 가진 재료를 평가하여 Tc의 상한선을 탐색하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 n-알칸/그래파이트 복합재는 500 K를 초과하는 온도에서 초전도성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이 복합재의 임계 온도(Tc)는 n-알칸 사슬 길이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이 재료에서 초전도 전이의 날카움(전이 폭)은 어떠한가?
• RQ4 16개 이상의 탄소를 가진 더 긴 알칸 사슬을 가진 재료는 504.24 K를 초과하는 Tc 값을 나타내는가?
• RQ5 그래파이트-알칸 인터페이스는 고Tc 초전도를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• n-알칸/그래파이트 복합재에서 임계 온도(Tc)가 363.08 K에서 504.24 K 사이인 초전도 전이가 관찰되었다.
• 최고 Tc를 보인 샘플의 전이 폭은 0.15 K에 이르기까지 매우 좁아, 날카롭고 명확한 상전이임을 시사한다.
• 탄소 수 16개 이상인 n-알칸을 포함한 재료는 504 K를 초과하는 초전도 전이를 보였다.
• 임계 온도는 알칸 사슬 길이가 길어질수록 증가하며, C16 알칸에서 최대 504.24 K에 도달하였다.
• 가열 중 저항 급감은 급격하고 재현 가능했으며, 이는 부피 초전도성의 존재를 뒷받침한다.
• 결과는 n-알칸과 그래파이트 사이의 인터페이스가 고Tc 초전도를 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 한다고 시사한다.