[논문 리뷰] Superconductivity up to 243 K in yttrium hydrides under high pressure

P. P. Kong, Vasily S. Minkov외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 23.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 29인용 수 78

한 줄 요약

본 논문은 237 GPa까지의 압력에서 YH4, YH6, YH9의 합성을 보고하고, YH9가 201 GPa에서 Tc 최대 243 K의 초전도성을 관찰하며, YH6는 237 GPa에서 227 K에 도달하고, YH10은 안정화되지 않았다.

ABSTRACT

The discovery of high-temperature conventional superconductivity in H3S with a critical temperature of Tc=203 K was followed by the recent record of Tc ~250 K in the face-centered cubic (fcc) lanthanum hydride LaH10 compound. It was realized in a new class of hydrogen-dominated compounds having a clathrate-like crystal structure in which hydrogen atoms form a 3D framework and surround a host atom of rare earth elements. Yttrium hydrides are predicted to have even higher Tc exceeding room temperature. In this paper, we synthesized and refined the crystal structure of new hydrides: YH4, YH6, and YH9 at pressures up to 237 GPa finding that YH4 crystalizes in the I4/mmm lattice, YH6 in Im-3m lattice and YH9 in P63/mmc lattice in excellent agreement with the calculations. The observed very high-temperature superconductivity is comparable to that found in fcc-LaH10: the pressure dependence of Tc for YH9 also displays a "dome like shape" with the highest Tc of 243 K at 201 GPa. We also observed a Tc of 227 K at 237 GPa for the YH6 phase. However, the measured Tcs are notably lower by ~30 K than predicted. Evidence for superconductivity includes the observation of zero electrical resistance, a decrease of Tc under an external magnetic field and an isotope effect. The theoretically predicted fcc YH10 with the promising highest Tc>300 K was not stabilized in our experiments under pressures up to 237 GPa.

연구 동기 및 목표

• 극한의 압력하에서 매우 높은 Tc를 갖는 수소가 우세한 초전도체를 탐색하도록 동기 부여한다.
• YH4, YH6, YH9의 결정구조를 정제하고 Tc를 압력의 함수로 매핑한다.
• 수소가 풍부한 수화물에 대한 이론 예측과 실험적 Tc 및 구조를 비교한다.

제안 방법

• 이트륨 수소화물(YH4, YH6, YH9)을 237 GPa까지의 압력에서 합성한다.
• 결정구조를 결정한다: YH4 (I4/mmm), YH6 (Im-3m), YH9 (P63/mmc).
• 저항이 0인 상태, 자기장에 의한 Tc 억제, 동위원소 효과를 통해 초전도성을 측정한다.
• H-지배적인 클라테이트 유사 수화물에 대한 이론 예측과 실험 Tc를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압하에서 행해진 이트륨 수소화물에서 달성 가능한 가장 높은 Tc는 무엇인가?
• RQ2 YH4, YH6, YH9의 결정구조가 초전도 특성과 어떤 관련이 있는가?
• RQ3 실험적 Tc가 고압하의 fcc YH10 및 관련 수화물의 이론 예측과 일치하는가?

주요 결과

• YH4는 I4/mmm, YH6는 Im-3m, YH9는 P63/mmc로 고압 237 GPa까지 결정화된다.
• Tc는 201 GPa에서 YH9에서 243 K에 도달한다 (압력에 따른 Tc의 돔형 분포).
• YH6의 Tc는 237 GPa에서 227 K에 도달한다.
• 측정된 Tc는 일부 이론 예측보다 약 30 K 낮다.
• 초전도성의 증거로는 0 저항, 자기장에 의한 Tc 억제, 동위원소 효과가 포함된다.
• Tc > 300 K인 예측된 fcc YH10은 237 GPa까지 안정화되지 않았다.