[论文解读] Absence of high temperature superconductivity in hydrides under pressure

J. E. Hirsch, F. Marsiglio|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

High-pressure geophysics and materials参考文献 24被引用 18

一句话总结

本文挑战了在加压碳质硫氢化物中存在高温超导性的说法，认为在磁场下观测到的尖锐电阻转变与第二类超导体行为不一致。作者证明，报告的吉古拉-朗道参数和穿透深度是基于错误分析得出的，且电阻转变在磁场下无场致展宽，强烈表明数据反映的并非超导性，而是非超导性金属渗流转变。

ABSTRACT

The long-sought goal of room-temperature superconductivity has reportedly recently been realized in a carbonaceous sulfur hydride compound under high pressure, as reported by Snider et al. [1]. The evidence presented in that paper is stronger than in other similar recent reports of high temperature superconductivity in hydrides under high pressure [2-7], and has been received with universal acclaim [8-10]. Here we point out that features of the experimental data shown in Ref. [1] indicate that the phenomenon observed in that material is not superconductivity. This observation calls into question earlier similar claims of high temperature conventional superconductivity in hydrides under high pressure based on similar or weaker evidence [2-7].

研究动机与目标

• 批判性评估Snider等人报告的加压碳质硫氢化物中高温超导性的实验证据。
• 识别 cited 研究中对吉古拉-朗道参数和穿透深度分析中的错误。
• 质疑将磁场下电阻转变解释为超导性证据的合理性。
• 主张观测到的尖锐转变更可能由金属渗流路径形成而非超导转变解释。
• 基于弱或类似证据，质疑其他氢化物体系中高Tc超导性主张的有效性。

提出的方法

• 重新审视Snider等人（2020年）关于加压氢化物中电阻率与磁场依赖性的实验数据。
• 发现计算伦敦穿透深度时，错误地使用了热力学临界场 $H_c$ 而非上临界场 $H_{c2}$。
• 应用吉古拉-朗道理论，从 $H_{c2}$ 估算预期的相干长度 $\xi$，得出 $\xi = 2.3\,\text{nm}$。
• 使用伦敦穿透深度公式 $\lambda(0) = \sqrt{m_e c^2 / (4\pi n_s e^2)}$ 估算 $\lambda(0)$，假设超流密度 $n_s$ 和费米速度。
• 将磁场下观测到的电阻转变宽度与常规和非常规第二类超导体（如MgB2和铜氧化物）中的已知行为进行比较。
• 评估升温过程中电阻增加的物理合理性，作为非超导性金属路径形成的证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 加压碳质硫氢化物中报告的超导转变是否与既有的第二类超导体行为一致？
• RQ2 吉古拉-朗道参数 $\kappa$ 和伦敦穿透深度 $\lambda(0)$ 的值是否正确地从实验数据推导得出？
• RQ3 为何在磁场下未观测到电阻转变的展宽，这与第二类超导体普遍预期的行为相悖？
• RQ4 观测到的尖锐电阻变化是否更可能由非超导性金属渗流机制解释？
• RQ5 本研究中的实验异常在多大程度上削弱了其他氢化物体系中高Tc超导性主张的有效性？

主要发现

• 报告的 $\lambda(0) = 3.8\,\text{nm}$ 为笔误；根据作者自身公式计算的正确值应为 $1.6\,\text{nm}$，但该值仍因错误使用 $H_c$ 而无效。
• 由 $H_{c2} = 61.8\,\text{T}$ 使用吉古拉-朗道公式 $H_{c2} = \phi_0 / (2\pi \xi^2)$ 正确推导出相干长度 $\xi = 2.3\,\text{nm}$。
• 基于常规超导理论估算的 $\lambda(0)$ 为 $113\,\text{nm}$，由此得出吉古拉-朗道参数的下限 $\kappa \sim 50$，表明为强第二类超导体。
• 图2b中的电阻转变在磁场下无展宽，与第二类超导体普遍行为相矛盾，后者随磁场增强而出现展宽。
• 与MgB2比较，$H/H_{c2} = 0.15$ 时预期的相对展宽 $\Delta T_c / T_c \sim 8.3\%$ 至少是氢化物数据中观测展宽的50倍以上。
• 升温过程中观测到的尖锐电阻增加更可能由金属导电路径的突然形成或断裂解释，而非超导转变，且低温电阻不为零，与超导性相矛盾。