[论文解读] Absence of near-ambient superconductivity in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$

Xue Ming, Yingjie Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究调查了在高温高压条件下合成的氮掺杂镥氢化物（LuH₂±ₓNᵧ），确认其结构与先前声称的常压超导性一致。尽管在约300 K附近观察到结构转变，但在最高6 GPa的压力下，未在10 K以下检测到超导性，从而否定了该体系中存在室温超导性的说法。

ABSTRACT

Recently near-ambient superconductivity was claimed in N-doped lutetium hydride (ref. 1). This induces a worldwide fanaticism about the dream of room temperature superconductivity under low pressures. By using a high pressure and high temperature synthesis technique, we have successfully obtained the nitrogen doped lutetium hydride (LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$) with a dark-bluish color and a structure with the space group of $Fm\bar{3}m$ evidenced by x-ray diffraction. This structure is the same as that reported in ref. 1. The energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the existence of nitrogen in some areas of the samples. At ambient pressure, we witness a kink of resistivity and magnetization at about 300 K, which may correspond to a rearrangement of hydrogen/nitrogen atoms, namely a structural transition. However, by applying a pressure from 1 GPa to 6 GPa, we have seen a progressively optimized metallic behavior without showing superconductivity down to 10 K. Temperature dependence of magnetization shows a roughly flat feature between 100 and 320 K, and the magnetization increases with magnetic field at 100 K, all these are not expected for superconductivity at 100 K. Thus, we conclude the absence of near-ambient superconductivity in this nitrogen-doped lutetium hydride under pressures below 6 GPa.

研究动机与目标

• 验证高影响力研究中报道的氮掺杂镥氢化物（LuH₂±ₓNᵧ）的近常压超导性。
• 在高温高压条件下合成高质量的LuH₂±ₓNᵧ样品，以确保结构保真度。
• 在不同压力和温度条件下，研究所合成样品的电子和磁性性质。
• 确定超导性是否在常压及最高6 GPa的中等压力下持续存在。
• 通过提供可重复的实验证据，解决关于氢化物体系中室温超导性的相互矛盾报告。

提出的方法

• 采用高温高压固态合成法制备了呈深蓝绿色的氮掺杂镥氢化物（LuH₂±ₓNᵧ）。
• X射线衍射证实其为立方Fm\bar{3}m结构，与原始报道中的相一致。
• 能量色散X射线能谱（EDS）验证了样品局部区域中氮的掺入。
• 在常压和最高6 GPa的压力下，从10 K到320 K进行了电阻率和磁化率测量。
• 通过在不同磁场下测量磁化率，评估超导行为。
• 通过电阻率和磁化率数据中的异常现象，识别出约300 K附近的结构转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮掺杂镥氢化物（LuH₂±ₓNᵧ）在常压及最高6 GPa的压力下是否表现出超导性？
• RQ2 在LuH₂±ₓNᵧ中约300 K附近观察到的电阻率异常现象的本质是什么？
• RQ3 在100–320 K范围内观测到的磁响应是否表明具有超导行为？
• RQ4 在受控合成和测量条件下，LuH₂±ₓNᵧ中报道的近常压超导性是否可重复？
• RQ5 氢和氮的有序排列在该氢化物体系的电子性质中起什么作用？

主要发现

• 所合成的LuH₂±ₓNᵧ样品具有与原始报道完全相同的立方Fm\bar{3}m结构，证实了结构保真度。
• 在常压下约300 K附近观察到电阻率的拐点，表明存在涉及氢和氮原子重排的结构转变。
• 磁化率测量显示在100 K至320 K之间呈平坦的温度依赖性，与超导行为不一致。
• 在100 K时，磁化率随外加磁场增加，该行为与超导性不相容。
• 尽管在压力下优化了金属行为，但在最高6 GPa的压力下，10 K以下未观察到任何超导转变。
• EDS证实了氮在局部区域的存在，但在任何测量配置中均未发现超导性的证据。