[论文解读] Enhancement of the superconducting critical temperature realized in the La-Ce-H system at moderate pressures

Wuhao Chen, Xiaoli Huang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本研究证明，在95–130 GPa压力范围内，通过铈掺杂LaHx可稳定形成一种三元六方La-Ce-H相，实现176 K的超导临界温度（Tc）——比二元LaHx高出100 K——在中等压力下实现，其外推的Hc2(0)达216 T，标志着高Tc氢化物超导体的重大进展。

ABSTRACT

Covalent and ionic polyhydrides have become the two main camps in searching for the high-temperature superconductors under pressure. They have been considered as important platforms for exploring ternary or multiple hydrides in order to further increase the Tc or decrease the stabilization pressure. In this work, we successfully synthesized ternary hexagonal La-Ce polyhydrides stable in the pressure range of 95-130 GPa by laser-heating the La-Ce alloy (initial ratio La:Ce=2.5-3.5) in ammonia borane. Superconductivity at 176 K was strikingly preserved to about 100 GPa. The extrapolated upper critical field Hc2(0) reached 216 T at 100 GPa, the highest value among the synthesized polyhydrides. We also performed the contrast experiments and stabilized binary high-temperature superconducting LaHx with Tc-103 K at 78 GPa. In the pressure range of 95-130 GPa, the ternary hexagonal La-Ce-H system exhibits higher Tc than the binary La-H system, with the maximum difference of 100 K, and the compounds of both systems were synthesized at the same pressure and temperature conditions. These results clearly indicate that the discovered La-Ce-H system not only enriches the high-temperature superconducting hydrides but also realizes high-Tc at moderate pressures.

研究动机与目标

• 探索三元氢化物作为在实验可实现压力下获得更高超导转变温度（Tc）的途径。
• 研究在LaHx中掺杂铈是否能在低于二元氢化物的压力建立高Tc超导相。
• 在相同制备条件下，比较La-Ce-H与二元LaHx的超导性能。
• 确定三元体系的上临界场（Hc2）并评估其在高场应用中的潜力。

提出的方法

• 通过在氨硼烷中对La-Ce合金（La:Ce = 2.5–3.5）进行激光加热，在高压（95–130 GPa）下合成三元La-Ce-H聚氢化物。
• 通过原位电输运和磁化率测量识别超导转变。
• 开展对比实验，在相同压力和温度条件下稳定二元LaHx。
• 利用压力依赖的电阻率和磁化率数据提取Tc，并外推零温下的Hc2(0)。
• 利用X射线衍射和理论模拟表征La-Ce-H相的晶体结构及其稳定范围。
• 比较La-Ce-H与二元LaHx的Tc和Hc2(0)值，评估铈掺杂的增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等压力下，LaHx中铈掺杂是否能稳定比二元LaHx具有更高Tc的超导相？
• RQ2 在高压下，三元六方La-Ce-H相的稳定范围是什么？
• RQ3 La-Ce-H的上临界场Hc2(0)与其它已知的高Tc氢化物相比如何？
• RQ4 在二元LaHx变得不稳定的压力下，La-Ce-H的超导转变是否仍能持续？
• RQ5 在相同制备条件下，La-Ce-H体系可实现的最大Tc是多少，与二元LaHx相比如何？

主要发现

• 在95–130 GPa压力范围内合成了三元六方La-Ce-H相，并在高达100 GPa下保持超导性。
• 在La-Ce-H中观察到176 K的超导转变温度Tc，比在相同条件下二元LaHx（Tc ≈ 76 K）高出100 K。
• 在100 GPa下，外推的上临界场Hc2(0)达到216 T，为已合成聚氢化物中最高值。
• 在整个95–130 GPa范围内，La-Ce-H的Tc均高于二元LaHx，证实了铈掺杂的稳定与增强效应。
• 对比实验确认在78 GPa下可稳定二元LaHx，其Tc ≈ 103 K，为比较提供了基准。
• 结果表明，铈掺杂可在中等压力下实现氢化物中的高Tc超导性，拓展了可行高Tc材料的范围。