[論文レビュー] The systematic study on the stability and superconductivity of Y-Mg-H compounds under high pressure

Peng Song, Zhufeng Hou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 58被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、進化的アルゴリズムと第一原理計算を用いて、高圧下における安定で超伝導性を示すY-Mg-H化合物を同定した。クラシトープ構造、特にFd̄3m-YMgH12が200 GPaで強い電子-格子励振子結合によって引き起こされる、高い超伝導転移温度（Tc = 190 K）を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

Motivated by recent discovery of yttrium-based high-temperature ternary superconducting hydrides (e.g., CaYH$_{12}$, LaYH$_{12}$, and ScYH$_{6}$), we have employed evolutionary algorithm and first-principles calculations to comprehensively examine the structural stability and superconductivity of the YMgH$_{x}$ system at high pressure. The hydrogen content $x$ and the pressure are both important factors in the stability of these candidate structures. We find that the stability of hydrogen-rich materials frequently necessitates higher pressure. For instance, the pressures to stabilize $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ and $Cmmm$-YMgH$_{12}$ are both more than 250 GPa. Hydrogen-less materials, such as $I4_{1}/amd$-YMgH$_{2}$ and $P6_{3}/mmc$-YMgH$_{3}$, can be stable at pressures as low as 100 GPa. In addition, we find a metastable structure for YMgH$_{6}$ with the same space group as the $P4/mmm$-YMgH$_{8}$. A metastable sodalite-like face-centered cubic (FCC) structure is also found in YMgH$_{12}$. These four clathrate structures of $P4/mmm$-YMgH$_{6}$, $P4/mmm$-YMgH$_{8}$, $Cmmm$-YMgH$_{12}$, and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ is made up of H14, H18, H24, and H24 cages, respectively, in which the H-H pair exhibits weak covalent bonding. According to phonon calculations, $P4/mmm$-YMgH$_{6}$ and $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ require a pressure of 300 GPa to maintain dynamic stability, however $Cmmm$-YMgH$_{12}$ and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ can maintain dynamic stability at pressures of 200 GPa and 250 GPa, respectively. Electron-phonon coupling calculations indicate that they might be potential high-temperature superconductors, with superconductivity intimately linked to the H cage structure. The sodalite structure $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ has a $T_\mathrm{c}$ value of 190 K and a strong electron-phonon coupling constant of 2.18.

研究の動機と目的

• 最近の三元水素化物における高Tc超伝導体の発見に触発され、高圧下における安定で超伝導性を示すY-Mg-H化合物を同定すること。
• YMgHx化合物における水素含有量（x）、圧力、構造的安定性の相乗的な影響を調査すること。
• 有望な相における超伝導転移温度（Tc）および電子-格子励振子結合を特定すること。
• クラシトープ様の水素キャップ構造が電子-格子励振子結合および超伝導性をどのように強化するかを検討すること。

提案手法

• YMgHx（x = 2–16）の安定な結晶構造を100、200、300 GPaで探索するために、USPEX進化的アルゴリズムを採用した。
• 幾何最適化および生成熱を計算するために、VASPを用いた密度汎関数理論（DFT）とPBE汎関数を用いた。
• 動的安定性を評価するために、Quantum-ESPRESSOおよびPhonopyを用いたフォノン計算を実施した。
• 電子-格子励振子結合およびTcを、密度汎関数摂動論およびMcMillanの式を用いて計算した。
• 各圧力における相の相対的安定性および相競合を評価するために、熱的凸包を構築した。
• Hキャップ構造が電子-格子励振子結合を強化するメカニズムを解明するために、電子状態密度およびフォノン状態密度を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100–300 GPaの高圧下で、どのYMgHx相が熱力学的および動的安定性を示すか？
• RQ2 水素含有量（x）は、Y-Mg-H化合物の安定性および超伝導特性にどのように影響するか？
• RQ3 クラシトープ様の水素キャップ構造が、電子-格子励振子結合およびTcを強化する役割を果たすか？
• RQ4 凸包上にない準安定相（例：Fd̄3m-YMgH12）は、Tcが高くなる可能性があるか？
• RQ5 最も有望とされる超伝導相の予測Tcは何か？その背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• P4/mmm-YMgH8およびCmmm-YMgH12相は、熱力学的安定性を示すために250 GPa以上の圧力が必要であり、P4/mmm-YMgH8は動的安定性を示すために300 GPaの圧力が必要である。
• 準安定相として、Fd̄3m-YMgH12が同定され、200 GPaでTc = 190.01 K、強い電子-格子励振子結合定数（λ = 2.1777）を示した。
• Fd̄3m-YMgH12構造は、24個のH原子がキャップを形成するナトリウム型の面心立方配置を示し、電子-格子励振子結合の強化に寄与している。
• クラシトープ構造（P4/mmm-YMgH6、P4/mmm-YMgH8、Cmmm-YMgH12、Fd̄3m-YMgH12）は、密度の高い水素由来フォノン状態密度およびフェルミエネルギー付近の高い水素由来電子状態密度を示した。
• Fd̄3m-YMgH12における電子-格子励振子結合は、他の相よりも顕著に強く、λ = 2.1777およびωlog = 1249.6 Kであり、200 GPaでTc = 190.01 Kを達成した。
• 水素含有量の高い相はより高い圧力が必要であり、I41/amd-YMgH2のような水素が少ない相は100 GPaで安定であるため、H含有量と圧力要件の間にはトレードオフがあることが示された。