[논문 리뷰] Enhancement of the superconducting critical temperature realized in the La-Ce-H system at moderate pressures

Wuhao Chen, Xiaoli Huang외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 27.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 LaHx에 Ce를 도핑함으로써 95–130 GPa 범위에서 삼성화물 헥사고날 La-Ce-H 상을 안정화시켜, 중간 압력에서 초전도 전이 온도(Tc)가 176 K에 도달함을 보여준다—이것은 이중 LaHx보다 100 K 높은 수준이며, Hc2(0)가 216 T에 이르는 것으로 추정되어 고Tc 수소화물 초전도체 분야에서 중요한 진전을 이룬다.

ABSTRACT

Covalent and ionic polyhydrides have become the two main camps in searching for the high-temperature superconductors under pressure. They have been considered as important platforms for exploring ternary or multiple hydrides in order to further increase the Tc or decrease the stabilization pressure. In this work, we successfully synthesized ternary hexagonal La-Ce polyhydrides stable in the pressure range of 95-130 GPa by laser-heating the La-Ce alloy (initial ratio La:Ce=2.5-3.5) in ammonia borane. Superconductivity at 176 K was strikingly preserved to about 100 GPa. The extrapolated upper critical field Hc2(0) reached 216 T at 100 GPa, the highest value among the synthesized polyhydrides. We also performed the contrast experiments and stabilized binary high-temperature superconducting LaHx with Tc-103 K at 78 GPa. In the pressure range of 95-130 GPa, the ternary hexagonal La-Ce-H system exhibits higher Tc than the binary La-H system, with the maximum difference of 100 K, and the compounds of both systems were synthesized at the same pressure and temperature conditions. These results clearly indicate that the discovered La-Ce-H system not only enriches the high-temperature superconducting hydrides but also realizes high-Tc at moderate pressures.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 접근 가능한 압력 조건에서 삼성화물 수소화물이 더 높은 초전도 전이 온도(Tc)로 이어지는 길이 될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 이중 수소화물보다 낮은 압력에서 Ce 도핑이 LaHx에 의해 고Tc 초전도 상을 안정화시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 동일한 합성 조건에서 La-Ce-H와 이중 LaHx의 초전도 특성을 비교하기 위해.
• 삼성화물 시스템의 상한 임계자기장(Hc2)을 결정하고 고자기장 응용 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 95–130 GPa의 고압에서 암모니아 붕소화물 내에서 La:Ce = 2.5–3.5인 La-Ce 합금을 레이저 가열하여 삼성화물 La-Ce-H 다수수소화물을 합성하였다.
• 초전도 전이를 식별하기 위해 현장에서 전기 저항도 및 자화율 측정을 수행하였다.
• 동일한 압력 및 온도 조건에서 이중 LaHx를 안정화하기 위한 대조 실험을 실시하였다.
• 압력 의존성 저항도 및 자화율 데이터를 사용하여 Tc를 추출하고, 온도가 0일 때 Hc2(0)를 외삽하였다.
• X선 회절 및 이론적 모델링을 통해 La-Ce-H 상의 결정 구조와 안정 범위를 특성화하였다.
• La-Ce-H와 이중 LaHx 간의 Tc 및 Hc2(0) 값을 비교하여 Ce 도핑의 향상 효과를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ce 도핑이 중간 압력에서 이중 LaHx보다 더 높은 Tc를 갖는 초전도 상을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 고압 조건에서 삼성화물 헥사고날 La-Ce-H 상의 안정 범위는 무엇인가?
• RQ3 La-Ce-H의 상한 임계자기장 Hc2(0)는 다른 알려진 고Tc 수소화물과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 이중 LaHx가 불안정해지는 압력 조건에서도 La-Ce-H의 초전도 전이가 유지되는가?
• RQ5 La-Ce-H 시스템에서 달성 가능한 최대 Tc는 얼마이며, 동일한 합성 조건에서 이중 LaHx와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 삼성화물 헥사고날 La-Ce-H 상이 95–130 GPa 압력 범위에서 합성되고 안정화되었으며, 초전도성은 최대 100 GPa까지 유지되었다.
• La-Ce-H에서 초전도 전이 온도 Tc가 176 K로 관측되었으며, 이는 동일 조건에서 이중 LaHx(Tc ≈ 76 K)보다 100 K 높은 수치를 나타낸다.
• 100 GPa에서 외삽된 상한 임계자기장 Hc2(0)는 216 T에 도달했으며, 합성된 다수수소화물 중에서 보고된 바 중 가장 높은 값이다.
• La-Ce-H 시스템은 전체 95–130 GPa 범위에서 이중 LaHx보다 더 높은 Tc를 나타내어, Ce 도핑이 안정화 및 향상 효과를 가짐을 확인하였다.
• 대조 실험을 통해 78 GPa에서 Tc ≈ 103 K인 이중 LaHx가 안정화되었으며, 비교를 위한 기준이 되었다.
• 결과적으로 Ce 도핑이 중간 압력에서 고Tc 초전도성을 실현할 수 있음을 보여주며, 실현 가능한 고Tc 물질의 범위를 확장한다.