[论文解读] Creating superconductivity in WB2 through pressure-induced metastable planar defects

Jinhyuk Lim, Ajinkya C. Hire+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用 4

一句话总结

本研究证明，WB2中的超导性并非通过结构相变诱导，而是通过压力诱导的亚稳态平面缺陷——特别是堆垛层错和孪晶界——实现，其结构类似于MgB2。超导性在50 GPa以上突然出现，最大临界温度达17 K（在91 GPa时），尽管母相hP12结构保持完整，这一结论得到同步辐射X射线衍射和理论计算的证实，显示缺陷hP3类区域中存在电子-声子耦合。

ABSTRACT

High-pressure electrical resistivity measurements reveal that the mechanical deformation of ultra-hard WB2 during compression induces superconductivity above 50 GPa with a maximum superconducting critical temperature, Tc of 17 K at 90 GPa. Upon further compression up to 190 GPa, the Tc gradually decreases. Theoretical calculations show that electron-phonon mediated superconductivity originates from the formation of metastable stacking faults and twin boundaries that exhibit a local structure resembling MgB2} (hP3, space group 191, prototype AlB2). Synchrotron x-ray diffraction measurements up to 145 GPa} show that the ambient pressure hP12 structure (space group 194, prototype WB2) continues to persist to this pressure, consistent with the formation of the planar defects above 50 GPa. The abrupt appearance of superconductivity under pressure does not coincide with a structural transition but instead with the formation and percolation of mechanically-induced stacking faults and twin boundaries. The results identify an alternate route for designing superconducting materials.

研究动机与目标

• 研究WB2在高压下超导性的起源，特别是针对先前在常压下低Tc的相互矛盾报告。
• 解决高压下观察到高Tc（17 K）的悖论，尽管热力学稳定的hP12相的Tc可忽略不计。
• 确定超导性起始是由结构相变还是缺陷介导机制引起。
• 明确亚稳态平面缺陷（如堆垛层错和孪晶界）在实现电子-声子耦合超导性中的作用。
• 建立一种新设计原则：通过高压下的缺陷工程，在原本非超导材料中实现超导性。

提出的方法

• 采用四探针配置的金刚石对顶砧（DAC）进行高压电输运测量，测量温度低至1.8 K，压力最高达187 GPa。
• 利用同步辐射X射线衍射（XRD）监测至145 GPa的结构演化，确认常压下的hP12相（P6₃/mmc）持续存在，且c/a比单调增加。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算不同相（hP12、hR6、hP3）的焓变和电子结构，包括亚稳态堆垛层错和孪晶界构型。
• 使用Quantum Espresso中的线性响应方法计算电子-声子耦合，并求解各向同性Eliashberg方程，预测hP3类缺陷结构的Tc。
• 采用范德帕尔方法根据测得电阻估算电阻率，假设平面内各向同性，并利用样品厚度（约10 µm）和几何形状。
• 采用ruby荧光压力标定法确定低温下的压力，对冷却过程中出现的小压力偏移进行了修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何WB2在无观测到结构相变的情况下，于50 GPa以上表现出超导性的急剧 onset？
• RQ2 在91 GPa处观察到高Tc（约17 K）的根源是什么，尽管常压hP12相预测的Tc < 1 K？
• RQ3 WB2中的亚稳态平面缺陷（如堆垛层错和孪晶界）是否能像MgB2结构一样承载超导性？
• RQ4 在高压下，缺陷hP3类区域的电子和振动性质与稳定hP12相相比如何？
• RQ5 所观察到的超导性是由真正的相变还是由渗流缺陷网络驱动？

主要发现

• WB2中的超导性在50 GPa以上突然出现，最大Tc为17 K（在91 GPa时），随后随压力增至187 GPa而逐渐降低。
• 同步辐射XRD显示，常压下的hP12相（P6₃/mmc）持续存在至145 GPa，c/a比单调增加，表明无结构相变。
• DFT计算证实，稳定hP12相在所有研究压力下Tc < 1 K，而亚稳态hP3相（AlB2型）预测Tc为25–40 K。
• 理论分析表明，堆垛层错和孪晶界是局部稳定hP3类结构的关键缺陷，从而实现电子-声子耦合并诱导超导性。
• 超导性的起始与这些平面缺陷的渗流网络相关，而非整体结构变化，解释了其急剧转变的机制。
• 研究结果确立了一条新超导路径：通过在非超导材料中工程化亚稳态缺陷，实现高压下的超导性，无需经历稳定相变。