고온 초전도체의 새로운 역사? by 바죠


Hydrogen Clathrate Structures in Rare Earth Hydrides at High Pressures: Possible Route to Room-Temperature Superconductivity

Feng Peng, Ying Sun, Chris J. Pickard, Richard J. Needs, Qiang Wu, and Yanming Ma
Phys. Rev. Lett. 119, 107001 – Published 8 September 2017
Room-temperature superconductivity has been a long-held dream and an area of intensive research. Recent experimental findings of superconductivity at 200 K in highly compressed hydrogen (H) sulfides have demonstrated the potential for achieving room-temperature superconductivity in compressed H-rich materials. We report first-principles structure searches for stable H-rich clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures. The peculiarity of these structures lies in the emergence of unusual H cages with stoichiometries H24, H29, and H32, in which H atoms are weakly covalently bonded to one another, with rare earth atoms occupying the centers of the cages. We have found that high-temperature superconductivity is closely associated with H clathrate structures, with large H-derived electronic densities of states at the Fermi level and strong electron-phonon coupling related to the stretching and rocking motions of H atoms within the cages. Strikingly, a yttrium (Y) H32 clathrate structure of stoichiometry YH10 is predicted to be a potential room-temperature superconductor with an estimated Tc of up to 303 K at 400 GPa, as derived by direct solution of the Eliashberg equation.

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자 주사위는 던져젔다. 이론적으로 예측된 구조들을 합성하는 일이 남아 있다.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.107001
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.107001

가장 가벼운 원소 수소를 금속 상태로 만들 수 있으면 좋은 초전도 물질이 될 수 있을 것이다. [BCS 이론]
실험적으로 수소를 포함한 물질들이 고압 상태에서 초전도체가 될 수 있음을 알았다. 해당 임계온도는 매우 고무적이다.
단순 수소원자들로만 구성된 물질이 아니다.
실험과 이론적 계산을 통하여 수소를 포함한 물질들이 고압상태에서 초전도 가능성이 제시된 것이다.
30–150 K, 180–203 K 대략 이 정도의 임계온도가 나온다.
H2S, H3S 와 같은 고압 상태를 만들어 낼 수 있으면 매우 좋은 초전도체가 될 수 있을 것이다.
핵심은 임계온도들이 실험과 이론 계산값이 상당한 수준에서 잘 일치한다는 점이다.
따라서, 새로운 결정구조들을 이론적으로 예측하고 같은 방식으로 임계온도를 계산할 수 있다.
너무나도 당연하게 높은 임계온도를 주는 결정구조를 이론적으로 골라 낼 수 있다.
수소 원자의 배열에 주목해야한다.

H2 상태를 없애버려야 한다. 결정구조 내부에서 수소가 존재하는 방식에 관해서 제한을 둘 필요가 있다.
페르미 준위에서 전자 상태밀도가 높아야 한다. 또한, 전자-격자 결합 값이 커야한다.
CaH6, YH6 와 같은 결정구조들에서 희망을 찾을 수 있다.
H24, H29, H32 와 같은 clathrate 구조에 주목한다.
보다 더 심도 있는 이론적인 결정구조 찾기를 진행한다. Sc, Y, La, Ce, Pr  [DFT 계산, CALYPSO, AIRSS 방법을 동원함.]
수소-수소 거리가 200 GPa 에서 얻을 수 있을 정도의 큰 값을 가짐에 주목한다.
예를 들어, 1.2 Å 까지 증가할 수도 있다.
YH10 is predicted to be a potential room-temperature superconductor with a Tc of up to 303 K at 400 GPa.

덧글

  • 채널 2nd™ 2017/09/19 22:15 # 답글

    >> at 400 GPa

    ?? 이런 조건에서"만" 동작한다면 흠.......................... 303 K 정도면 솔깃하기는 한데, 영하 정도의 온도에서 "신뢰성" 있게 동작하기만 하면 잘 팔릴 듯요.
  • 바죠 2017/09/20 08:14 # 삭제

    우선 실험으로 검정이 필요합니다. 이것은 어디까지나 이론 계산 결과입니다. 문제는 신뢰도 높은 계산이란것.
  • 2017/09/20 00:32 # 삭제 답글

    죽기전에 상온 초전도를 발견하는걸 볼 수도 있겠다는 희망을ㅎㅎ
  • 바죠 2017/09/20 08:14 # 삭제

    희토류 금속이라서 다소 고가일것이지만, 실험적으로 가능하다고 봅니다. 그 날이 언제일지는 모르지만.......
  • 2017/09/22 02:11 # 삭제 답글

    초전도체 연구가
    종말을 맞는건 아니기를
  • 바죠 2017/09/22 07:48 #

    종말은 아니고 확실한 새로운 전기를 맞이할 것 같습니다.
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