[论文解读] Observation of non-superconducting phase changes in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$

Xiangzhuo Xing, Chao Wang+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Rare-earth and actinide compounds参考文献 17被引用 6

一句话总结

本研究在高压条件下研究氮掺杂的镥氢化物（LuH$_{2\pm x}$N$_y$），在蓝色相与粉红色相之间识别出一种新的紫色相。尽管先前报道的颜色变化与超导性相关，但在1.8–300 K和0–30 GPa范围内未观测到任何超导转变；相反，粉红色相中发现的温度依赖性电阻异常被确认为非超导性电子或结构相变，挑战了此前关于近常压超导性的说法。

ABSTRACT

The recent report of near-ambient superconductivity in nitrogen doped lutetium hydride has triggered a worldwide fanaticism and raised major questions about the latest claims. An intriguing phenomenon of color changes in pressurized samples from blue to pink to red was observed and correlated with the claimed superconducting transition, but the origin and underlying physics of these color changes have yet to be elucidated. Here we report synthesis and characterization of high-purity nitrogen doped lutetium hydride LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$ with the same structure and composition as in the main phase of near-ambient superconductor1. We find a new purple phase of LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$ between blue and pink phase, and reveal that the sample color changes likely stem from pressure-driven redistribution of nitrogen and its interaction with the LuH$_2$ framework. No superconducting transition is found in all blue, purple, pink and red phases at temperatures 1.8-300 K and pressures 0-30 GPa. Instead, we identify a notable temperature-induced resistance anomaly of structural and/or electronic origin in LuH$_{2\pm ext{x}}$N$_y$, which is most pronounced in the pink phase and may have been erroneously interpreted as a sign of superconducting transition. This work establishes key benchmarks for nitrogen doped lutetium hydrides, allowing an in-depth understanding of the novel pressure-induced phase changes.

研究动机与目标

• 研究在高压下氮掺杂镥氢化物中观察到的颜色变化（蓝色→粉红色→红色）的起源。
• 确定这些颜色变化是否如先前所声称的那样与超导转变相关。
• 合成具有可控组成和结构的高纯度LuH$_{2\\pm x}$N$_y$样品，以实现精确表征。
• 明确粉红色相中报告的电阻异常的真实本质，将其与超导性区分开来。
• 为未来关于氮掺杂镥氢化物的研究建立可靠的基准。

提出的方法

• 使用立方砧压机进行高压合成，获得高达30 GPa压力下的高纯度LuH$_{2\\pm x}$N$_y$。
• 通过光学表征监测在不同压力和温度下各相（蓝色、紫色、粉红色、红色）的颜色变化。
• 在所有相中从1.8 K到300 K进行电输运测量，以检测超导转变。
• 通过结构和成分分析，关联氮的分布及晶格畸变与观测到的光学和电子性质变化。
• 利用X射线衍射和Rietveld精修确认相的种类及其在压力下的结构演变。
• 比较各相的电阻行为，以排除与超导性无关的异常。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，LuH$_{2\pm x}$N$_y$中观察到的颜色转变（蓝色→紫色→粉红色→红色）的成因是什么？
• RQ2 LuH$_{2\pm x}$N$_y$中报告的超导转变是否真实存在，还是可能被错误归因于非超导性电子异常？
• RQ3 粉红色相中的电阻异常是源于结构还是电子起源，且是否与超导性一致？
• RQ4 氮在LuH₂框架中的分布及其相互作用如何影响相的稳定性和光学性质？
• RQ5 能否在相变序列中识别并表征一种新的中间相（紫色相）？

主要发现

• 在高压下，于蓝色相与粉红色相之间识别出LuH$_{2\pm x}$N$_y$的一种新紫色相。
• 颜色变化归因于压力驱动的氮再分布及其与LuH₂框架的相互作用，而非超导性。
• 在所有相（蓝色、紫色、粉红色、红色）中，从1.8 K到300 K、0到30 GPa的范围内均未观测到超导转变。
• 在粉红色相中观察到显著的温度依赖性电阻异常，其成因可能为结构或电子起源，可能曾被误认为是超导性。
• 该电阻异常在粉红色相中最显著，且与零电阻或迈斯纳效应无关。
• 本研究为未来氮掺杂镥氢化物的研究提供了关键基准，强调了对相和输运性质进行严格表征的必要性。