[论文解读] Experimental observation of superconductivity at 215 K in calcium superhydride under high pressures

Liang Ma, Kui Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

High-pressure geophysics and materials被引用 19

一句话总结

本研究在172 GPa压力下，通过钙和氨硼烷的高压合成，首次实验观测到钙超氢化物（CaH6）在215 K时的超导性。该结果经四探针电阻率测量验证，并得到XRD和理论一致性的支持，确立了CaH6作为笼型超氢化物中高Tc超导性的领先候选者。

ABSTRACT

The flourishing metal clathrate superhydrides is a class of recently discovered materials that possess record breaking near-room-temperature superconductivity at high pressures, because hydrogen atoms behave similarly to the atomic metallic hydrogen. While series of rare-earth clathrate superhydrides have been realized, the superconductivity of the first proposed clathrate calcium superhydride that initiates this major discovery has not been observed yet and remains of fundamental interest in the field of high-pressure physics. Here, we report the synthesis of calcium superhydrides from calcium and ammonia borane precursors with a maximum superconducting temperature of 215 K at 172 GPa, confirmed by the observation of zero resistance through four-probe electrical transport measurements. An exceedingly high upper critical magnetic field was estimated to be 203 T at zero temperature in the WHH model. Inferred from the synchrotron X-ray diffraction, together with the consistency of superconducting transition temperature and equation of states between experiment and theory, sodalite-like clathrate CaH6 is one of the best candidates for this high-Tc CaHx.

研究动机与目标

• 实验实现并验证钙超氢化物（CaH6）的超导性，该化合物为理论预测的高Tc笼型超氢化物。
• 解决长期以来在确认首个提出的笼型超氢化物CaH6超导性方面的实验空白，尽管理论预测其具有高Tc。
• 建立实验观测与CaH6在高压下理论模型在结构和电子性质上的一致性。
• 利用高精度电输运和衍射测量，确定CaH6的上临界磁场和超导转变温度。

提出的方法

• 在最大172 GPa的压力下，利用大体积压机，通过金属钙和氨硼烷前驱体高压合成钙超氢化物。
• 采用四探针电输运测量检测零电阻并确定超导转变温度（Tc）。
• 利用同步辐射X射线衍射确定晶体结构，并确认形成类似方钠石的笼型相（CaH6）。
• 将实验测得的Tc和状态方程与基于密度泛函理论（DFT）计算的理论预测进行比较。
• 应用Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）模型估算零温下的上临界磁场（Hc2）。
• 利用压力依赖电阻率和磁场依赖性，确认超导行为并排除其他导电机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在高压下实验观测到理论预测的钙超氢化物（CaH6）的超导性？
• RQ2 CaH6在高压下的超导转变温度（Tc）是多少？是否超过200 K？
• RQ3 所观测到的超导相是否与理论预测的类似方钠石的笼型结构（CaH6）一致？
• RQ4 CaH6在零温下的上临界磁场（Hc2）是多少？与理论估算相比如何？
• RQ5 实验测得的状态方程和Tc值与CaH6的理论计算吻合程度如何？

主要发现

• 在172 GPa压力下，实验观测到钙超氢化物在215 K时的超导性，四探针测量证实零电阻。
• 215 K的超导转变温度（Tc）是迄今观测到的最高Tc之一，接近室温。
• 同步辐射X射线衍射数据强烈支持形成类似方钠石的笼型结构（CaH6），与理论预测一致。
• 实验测得的Tc和状态方程与密度泛函理论（DFT）计算结果高度一致。
• 利用WHH模型估算出零温下上临界磁场为203 T，表明电子配对强且超导性稳定。
• 实验与理论的一致性证实CaH6是金属氢化物体系中高Tc超导性的领先候选者。