[论文解读] Characterization of near-room-temperature superconductivity in yttrium superhydrides

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2019

High-pressure geophysics and materials参考文献 109被引用 18

一句话总结

本研究分析了在高压（186 GPa）下钇超氢化物YH4+YH6混合物的上临界场数据（Bc2(T)），发现Tc/TF比值为0.01–0.04，使其在Uemura图上处于非传统超导体区域。分析表明，序参量振幅的热力学涨落——以Tfluc,amp ≈ 250–280 K表征——强烈抑制了超导转变温度，表明该转变本质上受限于量子涨落，而非传统的电子配对机制。

ABSTRACT

Oxygen exhibits structural phase transformation from non-metallic $\epsilon$-O2 phase into metallic $\zeta$-O2 phase at pressure of P = 96 GPa (Desgreniers et al 1990 J. Phys. Chem. 94 1117; Akahama et al 1995 Phys. Rev. Lett. 74 4690). Metallic $\zeta$-O2 phase is a superconductor with transition temperature of Tc = 0.6 K at P = 115-120 GPa (Shimizu et al 1998 Nature 393 767). In this paper we have performed analysis of temperature dependent upper critical field, Bc2(T), for $\zeta$-O2 phase (P = 115 GPa) and show that this highly-compressed phase of gaseous molecular element is unconventional superconductor with the ratio of Tc to the Fermi temperature, Tf, in the range of 0.009 < Tc/Tf < 0.108.

研究动机与目标

• 利用上临界场数据对YH4+YH6混合物在高压下的超导行为进行分类。
• 确定Tc/TF比值，并评估该超导体是否属于传统或非传统超导体区域。
• 评估热力学涨落对超导转变温度的抑制作用。
• 量化序参量振幅涨落的特征温度Tfluc,amp，并评估其对Tc的影响。

提出的方法

• 将Kong等人（2019年）的Bc2(T)数据拟合至四种理论模型：Gorter-Casimir、Gorkov、WHH和Baumgartner-WHH。
• 利用Ginzburg-Landau框架，从Bc2(T)拟合结果推导出零温下的相干长度ξ(0)。
• 利用BCS关系式和有效质量meff* = 2.76me计算费米温度TF。
• 利用包含磁通量子、磁导率和Ginzburg-Landau参数κ的标准表达式，计算Tfluc,phase和Tfluc,amp。
• 在不同模型间比较Tc/TF比值，以评估超导配对对称性。
• 评估Tc相对于Tfluc,amp的抑制程度，以确定涨落效应的主导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 YH4+YH6中的超导性是否与传统的BCS理论一致，或属于非传统配对？
• RQ2 YH4+YH6混合物的Tc/TF比值是多少？与其它高Tc超导体相比如何？
• RQ3 序参量的热力学涨落在多大程度上限制了该体系的超导转变温度？
• RQ4 特征涨落温度Tfluc,phase和Tfluc,amp与YH4+YH6中观测到的Tc相比如何？

主要发现

• 在所有模型中，YH4+YH6混合物的Tc/TF比值均位于0.01至0.04之间，明确处于Uemura图上的非传统超导体区域。
• 振幅涨落的特征温度Tfluc,amp在252 K至284 K之间，仅比观测到的约217 K的Tc高出4–7%。
• Tc/Tfluc,amp比值最高可达0.22–0.23，表明振幅涨落显著抑制了Tc。
• 分析表明，热力学涨落是限制YH4+YH6中超导转变温度的主导机制。
• 该体系的超导态本质上受限于量子涨落，而非仅由电子-声子耦合决定。
• 结果支持如下观点：钇超氢化物中近室温超导性的稳定源于高压诱导的电子结构，但其热力学性质受序参量涨落的限制。