元素超導(dǎo)既益于超導(dǎo)機(jī)制研究又方便應(yīng)用加工，尋找高超導(dǎo)溫度（Tc）的元素超導(dǎo)體具有重要科學(xué)意義和潛在應(yīng)用前景。2022年靳常青團(tuán)隊實驗發(fā)現(xiàn)鈦(Ti)元素在高壓呈現(xiàn)26 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變(Nature Commun. 13, 5411(2022))，刷新了此前保持近20年的元素超導(dǎo)溫度記錄。在以上研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊近期獨(dú)立發(fā)現(xiàn)鈧(Sc)元素在高壓呈現(xiàn)高于30 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，鈧和鈦為毗鄰元素，鈧為目前唯一進(jìn)入30 K溫區(qū)的元素超導(dǎo)體。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心靳常青團(tuán)隊長期開展高壓極端條件新材料制備及功能構(gòu)效研究，設(shè)計研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的高壓綜合極端條件實驗裝置，可進(jìn)行超高壓合成和在位綜合物性表征。運(yùn)用以上極端條件技術(shù)，他們相繼揭示了系列高壓誘發(fā)的極端條件材料構(gòu)效，包括金屬間化合物、合金和富氫化合等新興量子功能材料體系 (PNAS 116, 12156(2019)、 Nature Commun. 13, 5411(2022)、Nature Commun. 13, 2863(2022)、Sci Bull 67, 907(2022)、Mat Today Phys 27, 100826(2022)、Sci China Phys Mech 66, 267411(2023)、NPG Asia Materials 11, 60(2019)、NPG Asia Materials 15, 52(2023)。
近期，他們實驗進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，鈧元素的超導(dǎo)溫度隨著壓力持續(xù)增加（圖1）。根據(jù)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變隨外加磁場的變化，估算鈧元素在32 K 超導(dǎo)溫度的上臨界場μ0Hc2(0)約為43 Tesla，對應(yīng)Ginzburg Landau超導(dǎo)相干長度為27 ?（圖2）。鈧元素的高壓超導(dǎo)溫度和上臨界場優(yōu)于商業(yè)化并被廣泛應(yīng)用的NbTi合金超導(dǎo)體（Tc~9.6 K，μ0Hc2(0)~ 15 T）。同步輻射高壓結(jié)構(gòu)表征揭示，鈧元素在高壓呈現(xiàn)序列結(jié)構(gòu)相變，在240 GPa壓力具有六方晶體結(jié)構(gòu)。晶體和電子結(jié)構(gòu)研究表明，高壓將引起鈧的4s和3d軌道相對能級的變化，導(dǎo)致部分4s電子向3d軌道躍遷，調(diào)控了費(fèi)米能級的態(tài)密度。軌道序的改變誘發(fā)系列晶體結(jié)構(gòu)相變，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)了體系電聲耦合，促進(jìn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的提高。以上研究為設(shè)計研制具有更高溫度的超導(dǎo)材料提供了新方案，通過引入化學(xué)預(yù)壓等方法將有望在低(常)壓截獲性能優(yōu)良的高壓超導(dǎo)亞穩(wěn)相，為元素超導(dǎo)材料的規(guī)�；瘧�(yīng)用提供可能。
以上研究工作發(fā)表在Chin. Phys. Lett. 40, 107403 (2023) (Express Letters)上，中國科學(xué)院物理研究所博士生何鑫和張昌玲為文章共同一作，靳常青研究員和望賢成研究員為論文通訊作者。研究得到北京高壓科學(xué)技術(shù)中心劉浩哲研究員團(tuán)隊在高壓材料結(jié)構(gòu)實驗方面密切合作，加拿大Saskatchewan大學(xué)的J. S. Tse教授在理論計算方面給予重要配合。研究得到基金委、科技部和中科院項目的資助。
圖1、元素鈧高壓超導(dǎo)性質(zhì)：(a) 元素鈧在283 GPa呈現(xiàn)Tc 32 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變； (b) 元素鈧高壓超導(dǎo)相圖。
圖2、鈧金屬在283 GPa壓力估算的上臨界場。
請參閱：X. He, C. L. Zhang, Z. W. Li, S. J. Zhang, S. M. Feng, J. F. Zhao, K. Lu, B. S. Min, Y. Peng, X. C. Wang, J. Song, L. H. Wang, S. I. Kawaguchi, C. Ji, B. Li, H. Z. Liu, J. S. Tse, and C. Q. Jin, "Superconductivity above 30K Achieved in Dense Scandium", Chin. Phys. Lett. 40, 107403(2023) (Express Letter)
DOI: 10.1088/0256-307X/40/10/107403；
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