[论文解读] Comment on "Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system" (A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73 (2015))

L. S. Mazov|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

High-pressure geophysics and materials被引用 7

一句话总结

本文挑战了在高压硫氢化物中203 K电阻率转变被解释为超导态的传统观点，提出该转变更可能源于磁性（反铁磁自旋密度波，AF SDW）相变。作者基于高温超导铜氧化物的类比以及Keldysh-Kopaev理论（描述电子-电子与电子-空穴配对共存）认为，真正的超导转变温度远低于203 K（约40 K），且介电（磁性）有序在超导转变之前发生。

ABSTRACT

It is demonstrated that resistive transition at 203 K observed in metallic sulfur hydride system at high pressure can be magnetic (rather than superconducting (SC)) in nature. The onset temperature of genuine superconducting transition in these compounds appears to be essentially lower on temperature. The normal-state magnetic (AF SDW) phase transition preceding a superconducting one (Tc < Tm) is characteristic for HTSC cuprates, pnictides (selenides) and organic superconductors. The resistive drop is provided by disappearing of magnetic (AF spin fluctuation) scattering of conduction electrons and hence formation of AF SDW order in the normal state. The formation of such modulated magnetic structure in sulfur hydride seems to be possible because of magnetic properties of metallic hydrogen at high densities (in analogy with iron). Such unconventional picture with two successive phase transitions: magnetic (AF SDW) and only then superconducting one is naturally described by Keldysh-Kopaev theory of dielectric (metal-insulator) phase transition in systems with coexistence of superconducting (e-e) and dielectric (e-h)pairings.

研究动机与目标

• 重新评估高压下硫氢化物中203 K电阻率转变的本质，该转变此前被解释为超导转变。
• 挑战‘电阻率急剧下降与磁场位移足以证明超导性’的假设。
• 提出观察到的转变实为正常态中先于超导性的磁性（反铁磁自旋密度波，AF SDW）相变。
• 应用Keldysh-Kopaev理论解释高压硫氢化物中两个连续相变的序列。
• 估算真正超导转变的起始温度，认为其显著低于203 K。

提出的方法

• 分析Drozdov等人（2015）的电阻率数据，识别出203 K处的电阻率下降可能源于反铁磁自旋涨落散射的消失。
• 将H2S与D2S中的电阻行为与声子散射的Bloch-Gruneisen（BG）定律进行比较，以BG曲线作为正常态电阻率的参考。
• 应用Keldysh-Kopaev理论（描述电子-电子与电子-空穴配对共存）解释相变序列：在T_D发生介电（AF SDW）相变，随后在T_c < T_D发生超导相变。
• 利用硫氢化物中较高的德拜温度（~5000 K）来解释低温下声子散射较弱，使得电阻率尾部与BG曲线的交点难以分辨。
• 通过识别BG曲线与总电阻率尾部的交点，估算真正超导转变的起始温度，得出T_c^onset ~ 40 K。
• 类比高温超导铜氧化物、铁基超导体与有机超导体，这些体系中也观察到类似的两步相变（先AF SDW，后SC）。

实验结果

研究问题

• RQ1 硫氢化物中203 K的电阻率转变是否真正属于超导转变，还是可能源于磁性起源？
• RQ2 在硫氢化物中，是否存在先于超导性的磁性（AF SDW）相变的证据？
• RQ3 Keldysh-Kopaev理论（描述电子-电子与电子-空穴配对共存）如何解释高压氢化物中观测到的电阻率行为？
• RQ4 为何在低温电阻率测量中难以准确确定超导转变的起始温度？
• RQ5 金属氢的磁性行为在硫氢化物中促进AF SDW形成方面起何作用？

主要发现

• 硫氢化物中203 K的电阻率转变被解释为磁性（AF SDW）相变所致，而非超导性。
• H2S中真正超导转变的起始温度估计约为40 K，显著低于报道的203 K。
• 203 K处观测到的电阻率下降归因于反铁磁自旋涨落散射的消失，而非超导能隙的打开。
• 两个相变的序列（先AF SDW，后超导）与Keldysh-Kopaev理论中关于介电-金属转变的描述一致。
• 氘掺杂H2S中的电阻率在高温下出现上翘，这是欠掺杂铜氧化物与铁基超导体的典型特征，支持磁性相变的解释。
• 这些化合物中较高的德拜温度（~5000 K）导致低温下声子散射较弱，使得真正超导转变起始温度的准确测定变得复杂。