[論文レビュー] Conventional superconductivity at 190 K at high pressures

А. П. Дроздов, M. I. Eremets+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

High-pressure geophysics and materials参考文献 30被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、150 GPaを超える高圧下で、硫化水素（H2S）に190 Kという記録的な臨界温度の従来の超伝導転移を報告している。これは強い電子-格子励振子結合と高周波数格子振動によって駆動されている。超伝導性は抵抗率の低下、外部磁場によるTcの抑制、および重水素化されたD2Sにおける大きな同素体シフトによって確認されており、BCS理論に一致する格子励振子媒介の対形成を示している。

ABSTRACT

The highest critical temperature of superconductivity Tc has been achieved in cuprates: 133 K at ambient pressure and 164 K at high pressures. As the nature of superconductivity in these materials is still not disclosed, the prospects for a higher Tc are not clear. In contrast the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory gives a clear guide for achieving high Tc: it should be a favorable combination of high frequency phonons, strong coupling between electrons and phonons, and high density of states. These conditions can be fulfilled for metallic hydrogen and covalent hydrogen dominant compounds. Numerous followed calculations supported this idea and predicted Tc=100-235 K for many hydrides but only moderate Tc~17 K has been observed experimentally. Here we found that sulfur hydride transforms at P~90 GPa to metal and superconductor with Tc increasing with pressure to 150 K at ~200 GPa. This is in general agreement with recent calculations of Tc~80 K for H2S. Moreover we found superconductivity with Tc~190 K in a H2S sample pressurized to P>150 GPa at T>220 K. This superconductivity likely associates with the dissociation of H2S, and formation of SHn (n>2) hydrides. We proved occurrence of superconductivity by the drop of the resistivity at least 50 times lower than the copper resistivity, the decrease of Tc with magnetic field, and the strong isotope shift of Tc in D2S which evidences a major role of phonons in the superconductivity. H2S is a substance with a moderate content of hydrogen therefore high Tc can be expected in a wide range of hydrogen-contain materials. Hydrogen atoms seem to be essential to provide the high frequency modes in the phonon spectrum and the strong electron-phonon coupling.

研究の動機と目的

• 高圧下における水素含有化合物で高温超伝導を達成する可能性を探ること。
• 強い電子-格子励振子結合と高い格子振動周波数によって、BCS理論に従う従来型超伝導がTc > 150 Kに達する材料を同定すること。
• 極端な圧力条件下で硫化水素（H2S）が高臨界温度で超伝導を示すかどうかを検証すること。
• 同素体置換と磁場依存性を通じて、超伝導の格子励振子起源を確認すること。

提案手法

• H2S試料を150 GPaを超える圧力に圧縮するためにダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧実験。
• 超伝導転移の検出を目的として、温度および圧力関数としての電気抵抗率の測定。
• 外部磁場を印加してTcの低下を観察し、超伝導行動の確認。
• 重水素（D2S）を用いた同素体置換により、Tcにおける同素体シフトを測定し、格子励振子媒介の対形成の証拠を得た。
• 水素化物超伝導に関する理論的予測を、実験の圧力および材料選択のガイドとして活用。
• 銅の抵抗率と比較して少なくとも50倍の抵抗率低下を分析し、強固な超伝導転移を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素含有化合物における従来型超伝導が、高圧下でTc > 190 Kに達することができるか？
• RQ2 H2Sにおける超伝導は、BCS理論が予測するように電子-格子励振子結合によって駆動されているか？
• RQ3 H2Sにおける観察されたTcは、水素の置換として重水素を用いることで顕著な同素体効果を示すか？
• RQ4 高圧下におけるH2Sで、超伝導を引き起こす構造的または化学的変化は何か？
• RQ5 SHn（n>2）水素化物の生成が、H2Sにおける高温Tc超伝導の出現を説明できるか？

主な発見

• 150 GPaを超える圧力下で、H2Sに190 Kの超伝導転移が観測された。
• 銅の抵抗率と比較して、抵抗率が少なくとも50倍低下しており、強固な超伝導転移を示している。
• 外部磁場を印加することでTcが低下し、超伝導転移の性質が確認された。
• D2Sにおける水素の置換により顕著な同素体シフトが観測され、対形成における格子励振子の主導的役割が確認された。
• 超伝導は、高圧下でのH2Sの解離とSHn（n>2）水素化物の生成に関連している可能性が高い。
• 理論的予測と一致しており、特に強い電子-格子励振子結合と高周波数格子振動子のおかげで、水素化物に高温Tc超伝導が生じる。