Discovery of a Superconducting Cu–Bi Intermetallic Compound by High‐Pressure Synthesis

Abstract

A new intermetallic compound, the first to be structurally identified in the Cu-Bi binary system, is reported. This compound is accessed by high-pressure reaction of the elements. Its detailed characterization, physical property measurements, and ab initio calculations are described. The commensurate crystal structure of Cu Bi is a unique variation of the NiAs structure type. Temperature-dependent electrical resistivity and heat capacity measurements reveal a bulk superconducting transition at T =1.36 K. Density functional theory calculations further demonstrate that Cu Bi can be stabilized (relative to decomposition into the elements) at high pressure and temperature. These results highlight the ability of high-pressure syntheses to allow for inroads into heretofore-undiscovered intermetallic systems for which no thermodynamically stable binaries are known.

Discovery of FeBi2

“…3,4 Indeed, recently, high pressure was employed as a vector to access new binary compounds in bismuth systems that were previously devoid of intermetallic phases, including CoBi 3 5 and Cu 11 Bi 7 . 6 Both of these compounds are the first structurally characterized intermetallic phases in their respective binary systems, 7,8 and both were synthesized by reaction of the elements at high-pressure conditions (4–6 GPa) using a large volume press (LVP). We hypothesized during our research on the Cu 11 Bi 7 system that the mutual solubility of the Cu and Bi enabled its facile synthesis at relatively low pressures.…”

Weak Interactions under Pressure: hp‐CuBi and Its Analogues

“…Foratoms in distinct coordination environments,t he outermost (valence) shell region displays strong deviations from the spherical distribution, yielding local attractors that are fingerprints for different chemical bonding scenarios. [9] Thel one-pairenveloped 1D columnar segments have also been found in CoBi 3 , [8] so the crystal structure of hp-CuBi may be denoted as the missing link between 3D and 1D units as the motif comprises 2D slabs that are spatially separated by lone pairs. Thebasin of the first type of attractor has common surfaces with the core basins of one Bi2, one Cu1, and two Cu2 atoms.Incombination with the position of the attractor within the corresponding tetrahedron, this result visualizes the four-center interaction between Bi2 and three Cu atoms ( Figure 5, light yellow isosurface).…”

Schwache Wechselwirkungen unter Druck: hp‐CuBi und seine Analoga

“…Bei nicht-wechselwirkenden Atomen weist die Verteilung von ELI-D um die Atomkerne herum sphärische Symmetrie auf.B ei Atomen in bestimmten Koordinationsumgebungen treten im Bereich der äußersten (Valenz-) Schale starke Abweichungen von der radialsymmetrischen Verteilung auf und bilden als lokale Attraktoren (Maxima) einen Fingerabdruck unterschiedlicher Szenarien der chemischen Wechselwirkung. [9] Da säulenfçrmige 1D-Segmente,d ie von Elektronenpaaren eingehüllt sind, auch in CoBi 3 festgestellt wurden, [8] kann die Kristallstruktur von hp-CuBi als fehlendes Bindeglied zwischen 3D-und 1D-Anordnungen angesehen werden, da das Motiv 2D-Schichtverbände aufweist, die durch freie Elektronenpaare getrennt werden. Die Bassins der ersten Art von Attraktoren teilen gemeinsame Oberflächen mit den Rumpfbassins von je einem Bi2-, einem Cu1-und zwei Cu2-Atomen.…”

“…Einige Bismutverbindungen (und auch das Element mit T c = 0.00053 K [31] )zeigen supraleitende Übergänge bei tiefen Te mperaturen:C oBi 3 (0.48 K [8] ), CuBi (1.3 K), Cu 11 Bi 7 (1.36 K [9] ), RhBi 4 (2.82 K [32,33] ), Rh 3 Bi 14 (3.15 K [33] ). Die Daten belegen, dass die kritischen Te mperaturen der stabilen Verbindungen mit dem schwereren 4d-Metall Rhodium signifikant hçher sind als diejenigen der metastabilen Verbindungen mit den 3d-Metallen Kupfer und Cobalt.…”

“…Kompression ist nicht nur von offensichtlicher Bedeutung fürd ie Geologie sowie die Chemie und Physik der Planeten, sondern bietet auch eine Mçglichkeit zur Herstellung neuer Modifikationen von chemischen Elementen und zur Beeinflussung der Stabilitätv on Intermediaten und Produkten in der Synthesechemie. [8,9]) oder ausgeprägte Spin-Bahn-Aufspaltung zeigen. [8,9] In diesem Zusammenhang stehen besonders intermetallische Verbindungen von 3d-Übergangsmetallen mit Bismut im Zentrum des Interesses,d as ie interessante Eigenschaften wie Supraleitung (z.…”