[논문 리뷰] Superconductivity up to 17 K in the high-pressure rhombohedral-I phase of ReO3: a potential oxide analogy of hydride superconductors

P. F. Shan, T. L. Lu외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 18.

Thermal Expansion and Ionic ConductivityMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 12–39 GPa에서 안정화된 고압 랩소디형-I 상에서 리튬 산화물 ReO3에서 임계 온도(Tc)가 최대 17 K에 이르는 초전도성을 규명한다. 초전도성은 거의 밀도가 높은 산소 서브격자로 인해 강화된 전자-격자파 상호작용으로 발생하며, 이는 초수소화물 초전도체의 메커니즘을 반영하여 경량 원소 수소화물 초전도체에 대한 희귀한 산화물 유사체를 확립한다.

ABSTRACT

As an A-site-vacant perovskite-type oxide, ReO3 undergoes sequential pressure-driven structural transitions associated with the rotation of ReO6 octahedra. The rhombohedral-I phase in the pressure range of 12-39 GPa is featured by a lattice of nearly close-packed oxygen layers intercalated with Re cations, in reminiscent of the recently discovered superhydride superconductors. A combined study of first-principles calculations and transport measurements under high pressures enabled us to discover superconductivity in the rhombohedral-I phase, and it shows a dome-shaped Tc(P) with a maximum Tc of 17 K at about 30 GPa. In addition to the enhanced density of states at Fermi level compared to that of the ambient phase, the vibrations of hexagonal-close-packed oxygen lattice significantly strengthen the electron-phonon coupling, which is responsible for observed superconductivity with a relatively high Tc. The present work thus establishes a rare case among oxide superconductors that the light-element oxygen lattice plays a crucial role in inducing superconductivity.

연구 동기 및 목표

• A-사이트 빈 퍼보스카이트 산화물인 ReO3의 고압 상에서의 초전도성을 조사하기 위해.
• 밀도가 높은 산소 격자를 갖는 랩소디형-I 상의 ReO3가 초전도적 거동를 보이는지 확인하기 위해.
• 이 산화물 상에서 전자-격자파 상호작용이 초전도성을 유도하는 역할를 탐색하기 위해.
• 최근 발견된 수소화물 초전도체와의 구조적 및 전자적 유사성을 통해 산화물 시스템과의 연결 고리를 설정하기 위해.

제안 방법

• 전기 저항도 및 자화율을 40 GPa까지 측정하기 위해 삼각 압축기 시스템을 사용하여 고압 전기적 성질 측정을 수행하였다.
• 랩소디형-I 상의 전자 구조 및 격자 모드를 분석하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 계산된 격자 스펙트럼과 패피레벨에서의 상태 밀도를 기반으로 전자-격자파 상호작용 강도를 평가하였다.
• 압력에 따른 X선 회절 측정을 통해 랩소디형-I 상의 안정성 창을 추적하여 상 전이를 분석하였다.
• 전기 저항 감소의 시작점과 자성 측정에서의 반자성 쉴드 효과에서 임계 온도(Tc)를 추출하였다.
• 랩소디형-I 상과 대기압 상의 ReO3 간 전자적 및 진동적 성질을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랩소디형-I 상의 ReO3는 고압에서 초전도성을 나타내는가? 만약 그렇다면, 그 임계 온도는 얼마인가?
• RQ2 랩소디형-I 상의 ReO3에서 초전도성의 기원은 무엇인가? 특히 전자-격자파 상호작용에 의해 유도되는가?
• RQ3 랩소디형-I 상에서 전자 구조, 특히 패피레벨에서의 상태 밀도는 대기압 상의 ReO3와 어떻게 다를까?
• RQ4 랩소디형-I 상의 밀도가 높은 산소 서브격자는 초수소화물 초전도체의 수소 농도가 높은 격자 행동을 어느 정도 모방하는가?
• RQ5 ReO3는 산화물 시스템에서 초수소화물 초전도체의 구조적 및 전자적 유사체로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 랩소디형-I 상의 ReO3에서 최대 임계 온도(Tc)가 약 30 GPa에서 17 K에 이르는 초전도성이 관측되었다.
• Tc는 압력에 따라 도우 형태의 의존성을 보이며, 30 GPa에서 최고에 도달하고 39 GPa 이상에서 억제된다.
• 랩소디형-I 상은 거의 밀도가 높은 산소 격자를 갖으며, 이는 전자-격자파 상호작용을 강화시켜 관측된 초전도성에 기여한다.
• 최초 원리 계산을 통해 대기압 상 대비 패피레벨에서의 상태 밀도가 크게 증가하는 것으로 밝혀졌다.
• 육각형 밀집 배열 산소 격자의 진동이 전자-격자파 상호작용을 강하게 매개하며, 이는 초전도성의 주요 메커니즘이다.
• 본 연구는 경량 원소 산소 서브격자가 초전도성 유도에 중심적인 역할을 하는 희귀한 산화물 초전도체로서 ReO3를 규명하였으며, 초수소화물 시스템과 유사한 메커니즘을 보인다.