[论文解读] Hidden Granular Superconductivity Above 500K in off-the-shelf graphite materials

Raphael Rousset-Zenou, Samar Layek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Graphite, nuclear technology, radiation studies被引用 7

一句话总结

本研究为市售石墨材料中存在粒状超导性提供了证据——具体而言，在高度取向热解石墨（HOPG）和商用柔性石墨垫片中，超导转变温度高于500 K。通过从磁化率磁滞回线中解卷积出抗磁性和铁磁性贡献，作者提取出类似超导的行为，并外推得出临界转变温度约为550 K ± 50 K，该结果得到电阻率测量的支持，后者在高温下也显示出转变行为。

ABSTRACT

It has been reported that graphite hosts room temperature superconductivity. Here we provide new results that confirm these claims on different samples of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and commercial flexible graphite gaskets (FGG). After subtraction of the intrinsic graphite diamagnetism, magnetization measurements show convoluted ferromagnetism and superconducting-like hysteresis loops. The ferromagnetism is deconvoluted by fitting with a sigmoidal function and subtracting it from the data. The obtained superconducting-like hysteresis loops are followed to the highest available temperature, 400K. The extrapolation of the decrease of its moment width with temperature indicates a transition temperature T$_{c}$$\sim$ 550K$\pm$50K for all samples. Electrical resistance measurements confirm the existence at these temperatures of a transition in HOPG samples, albeit without percolation. Besides, the FGG show transitions at temperatures (70K, 270K) near to those reported previously on intercalated-deintercalated graphite, confirming the general character of these superconducting transitions. These results are the first steps in the unveiling of the above room temperature superconductivity of graphite.

研究动机与目标

• 研究市售石墨材料中是否存在室温以上的超导性。
• 区分石墨样品中超导行为与本征抗磁性和铁磁性贡献。
• 利用磁化率和电阻率测量，确定HOPG和柔性石墨垫片中粒状超导性的临界温度Tc。
• 探讨石墨中高Tc超导转变的起源，可能与扭曲石墨烯层中的Moiré型缺陷或平坦能带有关。

提出的方法

• 使用Quantum Design MPMS3和MPMS XL SQUID磁强计进行磁化率测量，磁场方向平行于石墨的c轴。
• 通过S型拟合函数从磁滞回线中解卷积出铁磁性贡献，以分离出类似超导的信号。
• 利用Bean模型分析超导环宽度随温度的变化：ΔM(H,T) ∼ Jc(H,T) ∼ [1 - (T/Tc)²]，从而实现Tc的外推。
• 在自制的光学炉中采用四端直流法与钨电极进行高温电阻率测量，以检测转变行为。
• 样品包括HOPG（ZYA, ZYH）和商用柔性石墨垫片（Grafoil®, Papyex®-N），其结构均匀性通过de Haas-van Alphen振荡和中子衍射得到验证。
• 分析重点在于识别磁化率和电阻率中的转变行为，尤其关注具有高晶粒取向分散度及潜在缺陷结构的样品。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在市售石墨材料（如HOPG和柔性石墨垫片）中识别出Tc > 500 K的粒状超导性？
• RQ2 本征抗磁性和铁磁性贡献在多大程度上掩盖了石墨中的超导信号？如何有效分离这些贡献？
• RQ3 在某些石墨样品中观察到的70 K和270 K处的多个超导转变的起源是什么？它们与结构缺陷或堆叠构型有何关联？
• RQ4 所观测到的石墨中高Tc超导性是否与平坦能带超导性一致？这是否与超导能隙未出现指数抑制的观察结果相符？

主要发现

• 通过外推超导环宽度随温度的变化，所有研究的HOPG和柔性石墨垫片样品的临界转变温度Tc ~ 550 K ± 50 K。
• 磁化率测量显示，在高达400 K的温度下仍存在类似超导的磁滞回线，其环宽随温度单调减小，并在Tc处完全消失，与Bean模型一致。
• 电阻率测量证实HOPG在高温下存在超导转变，但无渗流行为，表明其为粒状超导行为。
• 柔性石墨垫片在~70 K和~270 K处表现出明显的转变，与已报道的插层-去插层石墨中的转变一致，提示存在普遍机制。
• 所观测到的超导性可能为粒状超导，源于孤立的纳米尺度超导区域，可能由Moiré型缺陷或菱面体堆叠缺陷稳定。
• 高Tc值与平坦能带超导性一致，其中能隙随相互作用强度线性变化而非指数变化，从而在不经历强耦合抑制的情况下实现高Tc。