金屬氫超導功能新發現

Wigner等在上世紀30年代曾理論預言，通過足夠大的壓縮，可以把氫從常壓氣態轉化為像堿金屬那樣的固體金屬、即”金屬氫”。由于氫的德拜溫度很高，基于BCS電聲耦合，Ashcroft理論預測金屬氫可能具有高溫超導性質。理論最新估算氫的金屬化約需500GPa的極端靜高壓（1GPa~1萬大氣壓），超過目前實驗室所能達到的靜高壓技術水平，純氫金屬化任重道遠。1970年代，中國科學院物理研究所徐濟安等人提出，通過富氫化合物引入化學內壓降低氫金屬化壓力的構想(物理 6，296(1977))。2004年，Ashcroft進一步理論闡明富氫化合物可降低氫金屬化所需壓強，同時仍保留以氫為主的高溫超導屬性。這些理論設想和預測進一步得到吉林大學團隊的拓展，近年來，國際上相繼實驗合成富氫化物并通過高壓物性表征觀察到高溫超導現象。

圖1：金剛石壓砧高壓腔體樣品和電極分布示意圖。

高壓極端條件可以創造常壓難以形成的新結構，賦予材料新的功能特性，為實現和拓展滿足特殊需求的新材料提供獨特機遇。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心靳常青團隊長期開展極端條件先進技術的拓展和新材料的創制。他們近期相繼獨立實驗制備發現210K以上的鈣基富氫超導材料 (Nature Communications 13, 2863(2022))、首個4d鋯基富氫高溫超導材料 (Science Bulletin 67, 907(2022))、首個5d鉿基富氫高溫超導材料 (Material Today Physics 27, 100826(2022))、镥基富氫超導材料 (Science China: Physics Mechanics & Astronomy 66, 267411(2023))、鉭基富氫超導材料(Chin. Phys. Lett. 40, 57404 (2023)(Express Letters))和鈮基富氫超導材料 (Mater Today Phys 40, 101298 (2024))。

圖2：銻基富氫超導體高壓在位電學表征顯示116K超導轉變。

目前實驗報道的二元富氫超導材料集中在稀土、堿土和過渡族金屬等電負性較小的元素所形成的化合物上，它們與氫形成離子結合，在氫的反健軌道填充電子從而實現氫的金屬化。主族非金屬元素具有較大的電負性，通常與氫以共價鍵相結合，合成制備難度很大。由于制備條件苛刻，成相難，共價鍵結合的二元富氫高溫超導材料的實驗報導很少。靳常青研究員指導博士生盧可等人近期在主族非金屬元素氫化物新材料的超高壓制備和超導研究上取得進展，首次實驗合成并發現轉變溫度高達116K的銻基富氫超導體，這是目前實驗報導的轉變溫度次高的主族富氫超導體。團隊運用自行研發集成的超高壓合成和在位表征先進實驗技術，在184GPa高壓和2000K的高溫成功制備了銻基富氫化合物。

圖3：銻基富氫超導轉變隨外加磁場的演化。

高壓在位電學表征揭示銻基富氫化物的電阻在116K時發生突降，并在低溫降至零電阻，表現高溫超導轉變。隨著磁場的增加，轉變溫度而逐漸向低溫移動，確認超導轉變屬性。結合同步輻射結構表征和銻基富氫化物的理論計算，認為高溫超導來源于以Sb～H共價鍵主導的六方相SbH4。對于六方相SbH4晶體，H～H形成三維導電網絡，導電網的H～H最小間距為1.73?。本研究表明對于較大的H～H距離，氫原子之間仍可以借助和非金屬元素的軌道雜化實現金屬化并進一步呈現高于100K的高溫超導，為探索低壓制備富氫化合物超導材料提供新的線索。

相關研究成果發表在National Science Review 11, nwad241 (2024)上，博士研究生盧可為第一作者，靳常青研究員和望賢成研究員為共同通訊作者，高壓結構表征得到德國歌德大學Winkeler教授團隊的密切合作。研究工作得到基金委、科技部和中國科學院項目的資助。