[논문 리뷰] The systematic study on the stability and superconductivity of Y-Mg-H compounds under high pressure

Peng Song, Zhufeng Hou외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 58인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 안정적이고 초전도성인 Y-Mg-H 화합물을 도출하기 위해 진화적 알고리즘과 제1원리 계산을 사용한다. 클래더레이트 구조, 예를 들어 Fd̄3m-YMgH12는 200 GPa에서 강한 전자-음향파 상호작용으로 인해 높은 초전도 전이 온도(Tc = 190 K)를 나타낸다. 이 상호작용은 수소 케이지에서 유래한 전자 및 진동 상태에 기인한다.

ABSTRACT

Motivated by recent discovery of yttrium-based high-temperature ternary superconducting hydrides (e.g., CaYH$_{12}$, LaYH$_{12}$, and ScYH$_{6}$), we have employed evolutionary algorithm and first-principles calculations to comprehensively examine the structural stability and superconductivity of the YMgH$_{x}$ system at high pressure. The hydrogen content $x$ and the pressure are both important factors in the stability of these candidate structures. We find that the stability of hydrogen-rich materials frequently necessitates higher pressure. For instance, the pressures to stabilize $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ and $Cmmm$-YMgH$_{12}$ are both more than 250 GPa. Hydrogen-less materials, such as $I4_{1}/amd$-YMgH$_{2}$ and $P6_{3}/mmc$-YMgH$_{3}$, can be stable at pressures as low as 100 GPa. In addition, we find a metastable structure for YMgH$_{6}$ with the same space group as the $P4/mmm$-YMgH$_{8}$. A metastable sodalite-like face-centered cubic (FCC) structure is also found in YMgH$_{12}$. These four clathrate structures of $P4/mmm$-YMgH$_{6}$, $P4/mmm$-YMgH$_{8}$, $Cmmm$-YMgH$_{12}$, and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ is made up of H14, H18, H24, and H24 cages, respectively, in which the H-H pair exhibits weak covalent bonding. According to phonon calculations, $P4/mmm$-YMgH$_{6}$ and $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ require a pressure of 300 GPa to maintain dynamic stability, however $Cmmm$-YMgH$_{12}$ and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ can maintain dynamic stability at pressures of 200 GPa and 250 GPa, respectively. Electron-phonon coupling calculations indicate that they might be potential high-temperature superconductors, with superconductivity intimately linked to the H cage structure. The sodalite structure $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ has a $T_\mathrm{c}$ value of 190 K and a strong electron-phonon coupling constant of 2.18.

연구 동기 및 목표

• 최근 다이아몬드형 수소화물에서의 고Tc 초전도성 발견에 힘입어 고압 조건에서 안정적이고 초전도성인 Y-Mg-H 화합물을 규명하는 것.
• YMgHx 화합물에서 수소 농도(x), 압력, 구조적 안정성 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 유망한 상들에서 초전도 전이 온도(Tc)와 전자-음향파 상호작용을 규명하는 것.
• 클래더레이트 유사 수소 케이지 구조가 전자-음향파 상호작용과 초전도성 향상에 미치는 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• 100, 200, 300 GPa에서 YMgHx (x = 2–16)의 안정한 결정 구조를 탐색하기 위해 USPEX 진화적 알고리즘을 활용하였다.
• 기하학적 최적화 및 생성 엔탈피 계산을 위해 VASP에서 PBE 기능을 사용한 밀도역학함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 동적 안정성을 평가하기 위해 Quantum-ESPRESSO와 Phonopy를 사용해 진동 모드 계산을 수행하였다.
• 전자-음향파 상호작용 및 Tc를 계산하기 위해 밀도역학함수퍼투urbation 이론과 McMillan 공식을 활용하였다.
• 각 압력에서 상의 상대적 안정성과 상 경쟁을 평가하기 위해 열역학적 볼록 힐링을 구축하였다.
• 수소 케이지 구조가 전자-음향파 상호작용 향상에 기여하는 메커니즘을 연결하기 위해 전자 및 진동 상태 밀도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100–300 GPa 고압 조건에서 어떤 YMgHx 상들이 열역학적 및 동적 안정성을 가지는가?
• RQ2 수소 함량(x)이 Y-Mg-H 화합물의 안정성과 초전도 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 클래더레이트 유사 수소 케이지 구조가 전자-음향파 상호작용과 Tc 향상에 기여하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 Fd̄3m-YMgH12와 같은 준안정 상은 볼록 힐링에 포함되지 않더라도 고 Tc 값을 나타낼 수 있는가?
• RQ5 가장 유망한 초전도 상에서 예측되는 Tc는 얼마이며, 그 배경 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• P4/mmm-YMgH8 및 Cmmm-YMgH12 상은 열역학적 안정성을 확보하기 위해 250 GPa 이상의 압력이 필요하며, P4/mmm-YMgH8는 동적 안정성을 확보하기 위해 300 GPa까지 필요하다.
• Fd̄3m-YMgH12는 200 GPa에서 Tc = 190.01 K, 강한 전자-음향파 상호작용 상수(λ = 2.1777)를 가지는 준안정 상으로 확인되었다.
• Fd̄3m-YMgH12는 24개의 수소 원자가 케이지로 배열된 나트륨-소달라이트 유사의 면심입방정격으로 구성되어 있으며, 이는 전자-음향파 상호작용 향상에 기여한다.
• 클래더레이트 구조(P4/mmm-YMgH6, P4/mmm-YMgH8, Cmmm-YMgH12, Fd̄3m-YMgH12)는 밀도 높은 수소 기반 진동 상태 밀도와 페르미 수준 근처의 높은 수소 기반 전자 상태 밀도를 나타낸다.
• Fd̄3m-YMgH12에서 전자-음향파 상호작용은 다른 상들보다 현저히 강하며, λ = 2.1777 및 ωlog = 1249.6 K로 나타나 200 GPa에서 Tc = 190.01 K를 달성한다.
• 수소 농도가 높은 상들은 안정성을 확보하기 위해 더 높은 압력이 필요하며, 반면 I41/amd-YMgH2와 같은 수소 농도가 낮은 상은 100 GPa에서 안정하다. 이는 수소 함량과 압력 요구 조건 간의 상충 관계를 시사한다.