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北京凝聚态物理国家研究中心
EX5组供稿
第60期
2022年08月09日
钙基富氢新材料研制和210K以上高压超导

  氢作为元素周期表第1号元素是构成广袤宇宙实体的重要成分,上个世纪初对氢的研究促进早期量子科学的形成发展,至今氢的传说和故事还在延续。Wigner和Huntington在上世纪30年代曾理论预言,在足够高的压力,氢将由常压气态转化为像碱金属一样的固体金属。由于氢的德拜温度很高,基于强电声耦合的经典BCS理论,金属氢可能具有高温超导性质。然而理论估算氢的金属化约需500 GPa的极端高压(1GPa~1万大气压力),超过目前高压实验技术水平,纯氢金属化任重道远。1970年代,中科院物理研究所徐济安等人提出,通过富氢化合物引入化学内压降低氢金属化压力的构想(物理 6,296(1977))。2004年,Ashcroft教授进一步探讨富氢化合物可降低氢金属化所需压强,同时仍保留以氢为主的高温超导属性。这些理论设想和预测得到吉林大学团队的进一步推进,近年,国际上相继报导在硫氢和稀土氢化物实验观察到200K以上高温超导现象。

  博鱼体育官网/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青、望贤成团队长期致力于高压极端条件新材料制备及功能调控研究,设计研发具有自主知识产权的高压、低温、强场和激光加热的综合实验装置,可进行超高压高温合成和在位物性联合表征研究。基于以上先进的极端条件技术,他们相继揭示了系列高压诱发的功能材料的新构效,包括关联、拓扑、聚合物等新兴功能材料体系 (PNAS 105, 7115(2008);PNAS 108, 24(2011); JACS 133, 7892(2011);PNAS 110, 17263(2013); Nature Commun. 5, 3731(2014); Adv. Mater. 29, 1700715(2017); Angew. Chem. Int. Ed. 56, 1(2017); NPG Asia Mater. 11, 60(2019))。近来,他们高压合成并实验发现Tc达71K的锆基富氢超导材料,这是首个4d过渡金属富氢高温超导材料(Sci. Bull. 67, 907 (2022))。

  近期,靳常青和望贤成团队在富氢新材料和超导研究上取得新进展,指导博士生李芷文和何鑫等独立研制发现了钙基富氢超导新材料。首先,运用高压高温技术,在160~180 GPa、2000 K成功制备了钙的富氢新化合物。进而,在160~180 GPa高压,实验观察到Tc~210 K的超导转变(图1a,b)。根据超导转变随外加磁场的变化,估算超导上临界场约为268 Tesla,对应Ginzburg-Landau超导相干长度为11 ?(图2a,b)。高压同步辐射结构表征显示,超导样品包含CaH6等富氢相,通过高压状态方程拟合得到富氢相的体弹模量约为221 GPa(图3a,b)。

  综上,钙基富氢超导材料成为继硫氢、稀土金属氢化物的又一类Tc高于200 K的二元富氢高温超导材料,拓展了富氢高温超导材料的研究范畴。

  以上研究工作近期发表在Nature Communications 13, 2863 (2022)上,望贤成和靳常青为通讯作者,研究得到基金委创新研究群体、科技部和中科项目的资助(11921004、2018YFA0305701、XDB33010200)。

图1:钙基富氢材料在高压呈现Tc大于210 K高温超导性质: 样品A在160GPa在位高压升温和降温过程的超导电学转变(a);样品B和C在185GPa在位高压超导电学转变(b)。

图2:钙基富氢超导材料的高压超导转变随外加磁场演化(a);估算上临界场值(b)。

图3:钙基富氢超导材料的高压同步辐射X光衍射实验(a);富氢相的高压状态方程(b)。