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中國科大超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的元素超導(dǎo)體
最后更新: 2023-06-25 09:00:26近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝教授團(tuán)隊(duì)的應(yīng)劍俊特任研究員等人與南京大學(xué)孫建教授課題組合作在高壓元素超導(dǎo)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。通過超高壓技術(shù)手段,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)元素鈧在高壓下具有高達(dá)36K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,刷新了元素超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度的記錄。相關(guān)研究成果于6月22日以“Record High 36 K Transition Temperature to the Superconducting State of Elemental Scandium at a Pressure of 260 GPa”為題在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上(Phys. Rev. Lett. 130, 256002 (2023))。
元素超導(dǎo)體為研究超導(dǎo)電性提供了一個(gè)最簡(jiǎn)單、最干凈的材料平臺(tái)。自從1911年荷蘭科學(xué)家昂尼斯在元素汞中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以來,越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。目前,共有50多種元素在常壓或高壓環(huán)境下被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。然而,大多數(shù)元素的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都較低,之前最高的元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為26K,是由元素鈦在高壓下所實(shí)現(xiàn)。
早期研究發(fā)現(xiàn),元素鈧在壓力下會(huì)經(jīng)歷四個(gè)結(jié)構(gòu)相變。在23 GPa以上,Sc-I相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾c-II相,并且Sc-II相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在100GPa左右達(dá)到最高近20K,其相對(duì)較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度被認(rèn)為是來源于電子逐漸從4s軌道向3d軌道轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致。由于早期高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制,元素鈧在更高壓力下的超導(dǎo)電性研究仍然十分缺乏。
圖示:元素鈧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的演化相圖。
針對(duì)這一問題,我校陳仙輝教授研究團(tuán)隊(duì)的應(yīng)劍俊特任研究員等人對(duì)元素鈧進(jìn)行了超高壓下的輸運(yùn)研究,確定了其高壓下的超導(dǎo)相圖。通過高壓電輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)在Sc-II相,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)隨壓力增加而迅速增加,與早期的報(bào)道一致。而在進(jìn)入Sc-III相后,Tc隨壓力幾乎保持不變。當(dāng)進(jìn)入Sc-IV相后,Tc隨壓力的增加又繼續(xù)增加,最高達(dá)到28K。當(dāng)體系最終在高壓下進(jìn)入Sc-V相后,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突然提升到36K,并且隨壓力幾乎保持變化。隨后,研究團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算探索了高壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大幅提升的物理來源。計(jì)算結(jié)果表明:Sc-V相中d電子與中等頻率聲子之間的強(qiáng)耦合是導(dǎo)致其高Tc的最主要的原因。這些結(jié)果表明元素鈧在壓力下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與結(jié)構(gòu)密切相關(guān),在Sc-V相中發(fā)現(xiàn)的36K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不但刷新了元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄,而且也為在簡(jiǎn)單體系中尋找高溫超導(dǎo)材料提供了一個(gè)新的思路。
中科大物理學(xué)院應(yīng)劍俊特任研究員為相關(guān)文章的第一作者和共同通訊作者,陳仙輝教授和南京大學(xué)孫建教授為上述文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目的相關(guān)基金資助。
論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.256002
(物理學(xué)院、中國科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部)
- 原標(biāo)題:中國科大超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的元素超導(dǎo)體
- 責(zé)任編輯: 邵婧 
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