[论文解读] Observation of Conventional Near Room Temperature Superconductivity in Carbonaceous Sulfur Hydride

Hiranya Pasan, Elliot Snider+22 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 4

一句话总结

本研究在高压（133 GPa）下报告了碳掺杂硫氢化物中260 K的常规超导性，通过调制交流磁化率和同步辐射红外反射率得到证实。在100 K时，超导能隙约为85 meV，与BCS理论一致，XRD证实Pnma相是近室温超导性的原因。

ABSTRACT

The phenomenon of high temperature superconductivity, approaching room temperature, has been realized in a number of hydrogen-dominant alloy systems under high pressure conditions1-12. A significant discovery in reaching room temperature superconductivity is the photo-induced reaction of sulfur, hydrogen, and carbon that initially forms of van der Waals solids at sub-megabar pressures. Carbonaceous sulfur hydride has been demonstrated to be tunable with respect to carbon content, leading to different superconducting final states with different structural symmetries. A modulated AC susceptibility technique adapted for a diamond anvil cell confirms a Tc of 260 kelvin at 133 GPa in carbonaceous sulfur hydride. Furthermore, direct synchrotron infrared reflectivity measurements on the same sample under the same conditions reveal a superconducting gap of ~85 meV at 100 K in close agreement to the expected value from Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory13-18. Additionally, x-ray diffraction in tandem with AC magnetic susceptibility measurements above and below the superconducting transition temperature, and as a function of pressure at 107-133 GPa, reveal the Pnma structure of the material is responsible for the close to room-temperature superconductivity at these pressures.

研究动机与目标

• 研究在高压下碳掺杂硫氢化物中高温超导性的出现。
• 确定碳质硫氢化物中超导性的结构与电子起源。
• 通过多种实验技术验证超导转变温度（Tc）和能隙大小。
• 通过将实验能隙值与BCS理论预测值比较，确认超导性是否为常规的。
• 通过原位XRD和磁性悬浮测量，识别出导致超导性的晶体结构。

提出的方法

• 在金刚石对顶砧中采用调制交流磁化率，检测高压下的超导转变。
• 通过直接同步辐射红外反射率测量，在相同压力和温度条件下提取超导能隙能量。
• 进行原位X射线衍射（XRD），以随压力变化确定超导相的晶体结构。
• 结合Tc以上和以下的交流磁化率与XRD测量，关联结构与超导行为。
• 在107–133 GPa压力范围内进行压力依赖性测量，绘制超导相的稳定性和结构对称性图谱。
• 应用Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论，预测预期的超导能隙值，以与实验数据比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，碳掺杂硫氢化物的超导转变温度（Tc）是多少？
• RQ2 所观察到的超导性是否为常规的，即其超导能隙大小是否与BCS理论相符？
• RQ3 哪种晶体结构（如Pnma）导致了碳质硫氢化物中的高温Tc超导相？
• RQ4 碳掺杂如何影响高压下硫氢化物的结构和超导性质？
• RQ5 在极端条件下，能否通过多种互补技术一致地识别和表征超导态？

主要发现

• 通过调制交流磁化率，在133 GPa下于碳质硫氢化物中观察到260 K的超导转变温度（Tc）。
• 同步辐射红外反射率测量显示，在100 K时超导能隙约为85 meV，与BCS理论预测高度一致。
• X射线衍射证实，硫氢化物的Pnma相是107至133 GPa压力范围内高温超导性的原因。
• 交流磁化率与XRD测量在Tc以上和以下的结合，为超导转变和结构相稳定性提供了连贯证据。
• 超导能隙大小和Tc值与常规电子-声子耦合超导性一致，支持BCS型机制。
• 碳掺杂实现了对超导相的可调性，不同碳含量下观察到不同的结构对称性。