PRL:百万大气压以下截获Tc超过100K的氢基超导体

2021-09-16 16:06:15 知社学术圈

借助高压技术,在新型硫氢化物H3S、镧氢化物LaH10及碳质硫氢化物等体系上分别实现了创纪录的200K、250K及288K的超导转变温度,因此富氢化物被认为是室温超导体的最佳候选体系之一,形成了一类新的超导材料——氢基超导体,已成为物理、材料等诸多领域的研究热点。但是这些材料出现优异超导特性所需要的压力大多在百万大气压以上,甚至在200万大气压以上,如此高的压力大大限制了此类超导体的深入研究和应用研究。因此,如何在较温和的压力条件下获得氢基高温超导材料或者将超导相稳定至较低压力,是该领域重要且亟待解决的关键科学问题。

近日,宁波大学崔田教授、吉林大学黄晓丽教授等人,与俄罗斯Skolkovo科学技术研究院Artem R. Oganov课题组合作,在高压超导氢化物研究方面又取得突破性进展。研究成果以“High-Temperature Superconducting Phases in Cerium Superhydride with a Tc up to 115 K below a Pressure of 1 Megabar”为题,于2021年9月9日发表在Physical Review Letters上。

课题组在前期合成P63/mmc-CeH9基础上(Nat.Commu. 2019, 10, 3461),克服了超高压下极小样品电学测量的难题,首次在百万大气压以下获得了超导转变温度高达115K的高温超导铈氢化合物Fm-3m-CeH10,这是在较低压力下寻找高温超导氢化物的第一次成功尝试。此项工作对二元及多元超导氢化物的研究有着重要的参考意义,为温和条件下制备氢基超导体迈出了重要一步。

图一:原位高压电学测量实验概述图。

课题组针对Ce-H体系开展了系统的超导电性零电阻实验研究。原位高压电学测量发现了两个超导相,这两个超导相的Tc均随外磁场的增加而减小,进一步证明了这两个超导相的存在。高压下原位同步辐射XRD测量帮助我们确定了两个超导相的晶体结构分别是:立方的Fm-3m-CeH10 (SC-I phase)和六角的P63/mmc-CeH9(SC-II phase)。另外,该工作首次合成了与高温超导相LaH10同构,具有H32笼子的Fm-3m-CeH10。

图二:高压及强磁场条件下Ce-H样品的电学测量结果。(a)激光加热后,#H1和#H4的样品腔照片,(b)不同压力下,超导转变过程中典型样品的电阻随温度的变化,(c)、(d)样品#H1和#H2的超导转变过程中R-T曲线随外加磁场的变化,插图为利用WHH和GL方程拟合出的上临界磁场。

为了研究Ce-H体系的同位素效应,合成了氘代的P63/mmc-CeD9。同步辐射XRD精修结果确认了在117GPa合成出了较纯的P63/mmc-CeD9。原位电学测量发现在120GPa时,P63/mmc-CeD9的Tc为58K,由此得到同位素系数约为0.49。此外,外加磁场实验拟合出的上临界磁场约为15-20T,这些都与BCS理论符合较好。

图三:CeD9样品的高压实验研究。(a)#S2样品的XRD随压力的变化,(b)117GPa,#S2样品XRD的Le Bail精修结果,(c)120GPa,#D2样品的Tc随外加磁场的变化,(d)利用WHH和GL方程拟合得到120GPa时#D2样品的上临界磁场,插图为样品腔照片。

进一步分析两个超导相的Tc随压力的变化趋势。实验结果显示:95GPa时,Fm-3m-CeH10相的Tc高达115K,但随着压力的增加近线性地降低;P63/mmc-CeH9相的Tc随着压力呈现dome-like的趋势,在130GPa时Tc最高,约为100K。理论计算表明超导转变温度的降低与电声耦合的减弱有关,Fm-3m-CeH10相的λ从100GPa时的2.0降低到200GPa时的0.8。在100GPa附近,我们认为hcp-CeH9相Tc的增加主要是由于低对称性C2/c逐渐转变为高对称性P63/mmc结构导致的。实验测得P63/mmc-CeH9的Tc比理论值偏高10-20K,推测此类氢化物中可能存在超导的各向异性。

图四:Fm-3m-CeH10和P63/mmc-CeH9的超导参数随压力的变化。(a)、(c)分别是实验测量得到的Fm-3m-CeH10和P63/mmc-CeH9的Tc随压力的变化,(b)、(d)分别为前人及本文理论计算得出的Fm-3m-CeH10和P63/mmc-CeH9的Tc、电声耦合常数λ以及对数平均声子频率ωlog随压力的变化。

该研究成果的第一作者为吉林大学陈吴昊博士,通讯作者为宁波大学崔田教授、吉林大学黄晓丽教授。该工作得到了国家自然基金委项目、国家重点研发计划项目、上海光源同步辐射BL15U1线站及北京同步辐射装置4W2高压站的大力支持。

*中国科协科学技术传播中心支持

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论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.117001

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