[論文レビュー] High-Tc superconductivity in clathrate calcium hydride CaH6

Liang Ma, Kui Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

High-pressure geophysics and materials被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、172 GPaの高圧下で包合化合物ケイ酸化カルシウム（CaH6）が合成に成功し、超伝導転移温度（Tc）が215 Kに達した。これは希土類元素を含まない超水素化物の中で報告された中で最も高い値の一つである。超伝導性は、抵抗がゼロに急激に低下し、外部磁場によるTcの抑制が観察されたことで確認された。WHHモデルを用いて上臨界磁場を203 Tと推定した結果、CaH6は強く型II型超伝導体であることが判明した。

ABSTRACT

Recent discovery of superconductive rare earth/actinide superhydrides has ushered in a new era of superconductivity research at high pressures. This distinct type of clathrate metal hydrides was first proposed for alkaline-earth-metal hydride CaH6 that, however, has long eluded experimental synthesis, impeding an understanding of pertinent physics. Here, we report successful synthesis of CaH6 and its measured superconducting critical temperature Tc of 215 K at 172 GPa, which is evidenced by a sharp drop of resistivity to zero and a characteristic decrease of Tc under a magnetic field up to 9 T.An estimate based on the Werthamer-Helfand-Hohenberg model gives a giant zero-temperature upper critical magnetic field of 203 T. These remarkable benchmark superconducting properties place CaH6 among the most outstanding high-Tc superhydrides, marking it as the hitherto only clathrate metal hydride outside the family of rare earth/actinide hydrides. This exceptional case raises great prospects of expanding the extraordinary class of high-Tc superhydrides to a broader variety of compounds that possess more diverse material features and physics characteristics.

研究の動機と目的

• 理論的に予測されていたが、長年にわたり合成に失敗していた、サドルライト構造をとる包合化合物ケイ酸化カルシウム超水素化物CaH6の実験的実現。
• 高圧下におけるCaH6の超伝導特性、特に臨界温度Tcおよび上臨界磁場Hc2の検証。
• 希土類元素・アクチニド元素を除く代替水素源を用いた、高Tc超水素化物の合成可能性の探求。
• 非希土類元素を含むイオン性包合化合物超水素化物における高Tc超伝導の基準としてCaH6を確立し、超水素化物材料の広範な探索を可能にする。

提案手法

• CaH2などの低水素化物の早期生成を回避するため、ホウ素ヒドリドアンモニア（BH3NH3）を高温水素源として用いてCaH6の合成。
• 最大178 GPaの高圧下でレーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧合成により、包合構造の安定化を図った。
• 結晶構造および相形成の確認のため、in situ 同步放射X線回折（XRD）を実施。
• 172 GPa下で磁場（0–9 T）を印加しながら抵抗測定を実施し、超伝導転移の解析とTc、Hc2の抽出を実施。
• 上臨界磁場データをギンツブルグ＝ランダウ（GL）モデルおよびWerthamer–Helfand–Hohenberg（WHH）モデルにフィッティングし、Hc2(0)およびコherence長の推定を行った。
• 複数のサンプルおよび独立した実験結果の比較により、超伝導挙動の再現性と一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されたサドルライト構造型包合化合物CaH6は、高圧下で実験的に合成可能か？
• RQ2 合成されたCaH6の超伝導臨界温度Tcは何か？また、外部磁場に対してどのように応答するか？
• RQ3 CaH6の上臨界磁場Hc2は何か？これは超伝導ペアリング機構に何を示唆するか？
• RQ4 BH3NH3を水素源として用いることで、CaH6のような高水素化物相の合成課題を克服できるか？
• RQ5 CaH6の超伝導挙動は、希土類元素やアクチニド元素を含まない他の既知の超水素化物と比較してどう異なるか？

主な発見

• BH3NH3を水素源として用いた172 GPa下でのCaH6の合成に成功し、安定な包合構造の理論的予測が裏付けられた。
• 172 GPa下でTc = 215 Kの超伝導転移が観察され、抵抗がゼロに急激に低下した。
• 9 Tの磁場印加下でTcが約6 K低下したため、超伝導転移の性質が確認された。
• WHHモデルを用いてT=0 Kにおける上臨界磁場Hc2を203 Tと推定した。これは強く型II型超伝導体であることを示唆する。
• WHHモデルを用いてコherence長を12.7 Åと推定した。これは強い結合型、型II型超伝導体と整合的である。
• 178 GPaで独立して測定した結果も同様であった（WHHモデルによるHc2(0) = 181 T）。超伝導相の再現性および頑健性が確認された。