[論文レビュー] Road to Room-Temperature Superconductivity: Tc above 260 K in Lanthanum Superhydride under Pressure

Russell J. Hemley, Muhtar Ahart+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2019

High-pressure geophysics and materials参考文献 35被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、200 GPaに近い圧力下で260 Kを超える温度で超伝導性を示すランタノイド超水素化物（LaH10）の実験的確認を報告している。これは、高圧合成と輸送測定を用いて達成されたもので、水素を多く含む水素化物における高Tc超伝導の理論的予測を裏付けるものであり、極端な圧力下での材料設計による室温超伝導への大きな一歩を示している。

ABSTRACT

The use of high pressure to realize superconductivity in the vicinity of room temperature has a long history, much of it focused on achieving this in hydrogen rich materials. This paper provides a brief overview of the work presented at this May 2018 conference, together with background on motivation and techniques, the theoretical predictions of superconductivity in lanthanum hydride, and the subsequent experimental confirmation. Theoretical calculations using density functional based structure search methods combined with BCS type models predicted a new class of dense, hydrogen rich materials superhydrides with superconducting critical temperatures in the vicinity of room temperature at and above 200 GPa pressures. The existence of a series of these phases in the La H system was subsequently confirmed experimentally, and techniques were developed for their syntheses and characterization, including measurements of structural and transport properties, at megabar pressures. Four probe electrical transport measurements of a cubic phase identified as LaH10 display signatures of superconductivity at temperatures above 260 K near 200 GPa. The results are supported by pseudo four probe conductivity measurements, critical current determinations, low-temperature xray diffraction, and magnetic susceptibility measurements. The measured high Tc is in excellent agreement with the original calculations. The experiments also reveal additional superconducting phases with Tc between 150 K and above 260 K. This effort highlights the novel physics in hydrogen-rich materials at high densities, the success of materials by design in the discovery and creation of new materials, and the possibility of new classes of superconductors Tc at and above room temperature.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるランタノイド水素化物（LaH10）の高臨界温度（Tc）超伝導性に関する理論的予測を、実験的に検証すること。
• メガバール圧力下における力学的・密度の高い不安定な水素化物相の合成と特性評価技術を開発すること。
• 電気的輸送測定および磁気的測定を用いて、ランタノイド超水素化物における超伝導転移を特定・確認すること。
• 高圧工学を用いた水素を多く含む材料が、室温超伝導を達成する可能性を検討すること。
• 材料設計の可能性を示し、Tcが室温またはそれ以上に近い新しい超伝導体の発見が、実現可能であることを実証すること。

提案手法

• 密度汎関数理論に基づく構造探索とBCS型モデルを組み合わせ、ランタノイド水素化物における超伝導相を予測した。
• 200 GPaを超える圧力下で、トロイダル型の立方体アネルプレスを用いて立方晶LaH10および他の水素化物相を合成した。
• 四端子電気的輸送測定を実施し、超伝導転移および臨界電流閾値を検出した。
• 低温X線回折を用いて、圧力下での構造的安定性および相の同一性を確認した。
• 磁化率測定を実施し、マイスナー効果に類似した挙動と超伝導転移の確認を行った。
• 接触抵抗の影響を最小限に抑えるために擬似四端子導電率測定を実施し、高圧環境下での信号の信頼性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的予測されたランタノイド水素化物における高Tc超伝導性が、極端な圧力下で実験的に確認可能か？
• RQ2 200 GPaに近い圧力下で、立方晶LaH10の臨界温度はどの程度か？
• RQ3 La-H系にTcが150 K以上の複数の超伝導相が存在するか？
• RQ4 高圧合成および輸送測定が、超伝導体発見における材料設計アプローチをどの程度裏付けているか？
• RQ5 高密度水素化物の構造的および電子的性質が、その超伝導転移温度にどのように影響するか？

主な発見

• 立方晶ランタノイド超水素化物（LaH10）は、約200 GPaの圧力下でTc > 260 Kの超伝導性を示した。
• 四端子電気的輸送測定により、Tc未満で抵抗率が急激に低下することが確認され、超伝導挙動が裏付けられた。
• 擬似四端子導電率測定により、接触抵抗に起因する誤った信号の影響を排除し、超伝導転移の信頼性が向上した。
• 低温X線回折により、高圧下での合成されたLaH10試料の構造的整合性および相純度が確認された。
• 磁化率測定により、Tc未満でマイナスの磁気的応答が観察され、マイスナー効果およびバルク超伝導性と整合的であった。
• Tcが150 Kから260 K以上の範囲にわたる追加の超伝導相が同定され、La-H系における多様な超伝導挙動が示された。