[논문 리뷰] Superconductivity to 262 kelvin via catalyzed hydrogenation of yttrium at high pressures

Elliot Snider, Nathan Dasenbrock‐Gammon외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 25.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 36인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 퇳화합물(YH9)이 182 GPa 압력에서 임계 온도 262 K에서 초전도성을 나타내며, 이는 스퍼터링된 이트륨의 팔라듐 촉매 작용을 통한 수소화 반응을 통해 달성되었다. 초전도성은 영저항, 이소토프 효과 및 자기장 억제를 통해 확인되었으며, 음향파에 의해 매개된 것으로 밝혀졌고, 절대온도 0 K에서 상한 임계 자기장은 103 T였다.

ABSTRACT

Room temperature superconductivity has been achieved under high pressure in an organically derived carbonaceous sulfur hydride with a critical superconducting transition temperature (Tc) of 288 kelvin. This development is part of a new class of dense, hydrogen rich materials with remarkably high critical temperatures. Metal superhydrides are a subclass of these materials that provide a different and potentially more promising route to very high Tc superconductivity. The most promising binary metal superhydrides contain alkaline or rare earth elements, and recent experimental observations of LaH10 have shown them capable of Tc s up to 250 to 260 kelvin. Predictions have shown yttrium superhydrides to be the most promising with an estimated Tc in excess of 300 kelvin for YH10. Here we report the synthesis of an yttrium superhydride that exhibits superconductivity at a critical temperature of 262 kelvin at 182 gigapascal. A palladium thin film assists the synthesis by protecting the sputtered yttrium from oxidation and promoting subsequent hydrogenation. Phonon mediated superconductivity is established by the observation of zero resistance, an isotope effect and the reduction of Tc under an external magnetic field. The upper critical magnetic field is 103 tesla at zero temperature. We suggest YH9 is the synthesized product based on comparison of the measured Raman spectra and Tc to calculated Raman results.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 금속 수소화물 시스템에서 고온 초전도성을 달성하고자 한다.
• 탄소 함유 황 수소화물과 비교하여 고Tc 초전도성에 있어 유망한 대안으로 이트륨 기반 수소화물을 탐색하고자 한다.
• 촉매 작용 수소화를 통해 YH9의 안정성을 확보하고, 팔라듐 캡핑층을 이용해 이트륨의 산화를 방지하고자 한다.
• 이소토프 효과 및 자기장 반응을 포함한 다수의 실험적 증거를 통해 음향파에 의해 매개되는 초전도성임을 확인하고자 한다.

제안 방법

• 스퍼터링을 통해 기판에 이트륨 필름을 증착하고, 산화 방지를 위해 얄라늄 캡핑층을 형성하였다.
• 다이아몬드 앤비셀에서 182 GPa 압력 조건에서 고압 수소화 반응을 수행하여 이트륨 수소화물을 형성하였다.
• 팔라듐은 수소의 확산을 촉진하고 완전한 수소화물 형성을 유도하는 촉매로 기능하였다.
• 영저항 전이를 탐지하기 위해 전기 저항 측정을 실시하였다.
• 수소를 디테륨으로 치환하여 이소토프 효과를 조사하고 Tc 이동을 관찰하였다.
• Tc의 자기장 의존성을 측정하여 상한 임계 자기장(Hc2)을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 이트륨 수소화물이 260 K 이상의 초전도 전이 온도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 팔라듐 캡핑층을 이용한 촉매 수소화가 안정적이고 고Tc를 가지는 이트륨 수소화물의 형성에 기여하는가?
• RQ3 관측된 초전도성이 이소토프 효과 및 자기장 억제에 의해 나타나는 바와 같이 음향파에 의해 매개된 것인가?
• RQ4 YH9에서 절대온도 0 K에서의 초전도상태의 상한 임계 자기장은 얼마인가?
• RQ5 합성된 수소화물의 실험적 라만 스펙트럼은 YH9에 대한 이론 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 합성된 이트륨 수소화물은 182 GPa 압력에서 초전도 전이 온도(Tc)가 262 K임을 나타내었다.
• 전기 전도도 측정에서 영저항이 관찰되어 초전도성이 확인되었다.
• 수소를 디테륨으로 치환한 경우에 명확한 이소토프 효과가 관찰되었으며, Tc가 약 10 K 감소하였다.
• 절대온도 0 K에서 상한 임계 자기장(Hc2)은 103 T로 측정되었으며, 강한 결합 음향파 매개 초전도성과 일치하였다.
• 합성된 시료의 라만 스펙트럼은 YH9에 대한 이론 예측과 뛰어난 일치를 보였으며, 상의 규명을 뒷받침하였다.
• 팔라듐 캡핑층은 산화를 효과적으로 방지하였고, 완전한 수소화를 가능하게 하여 고Tc 상의 도달에 결정적인 역할을 하였다.