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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝院士團(tuán)隊的應(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，通過超高壓技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)元素鈧在高壓下具有高達(dá)36開爾文的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，刷新了元素超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄。6月22日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《物理評論快報》。
元素超導(dǎo)體為研究超導(dǎo)電性提供了一個最簡單、最干凈的材料平臺。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26開爾文，是由元素鈦在高壓下所實(shí)現(xiàn)。
早期研究發(fā)現(xiàn)，元素鈧在壓力下會經(jīng)歷四個結(jié)構(gòu)相變。在23千兆帕以上，鈧的第一個結(jié)構(gòu)相會轉(zhuǎn)變?yōu)殁偟牡诙€高壓結(jié)構(gòu)相，并且鈧的第二個高壓結(jié)構(gòu)相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在100千兆帕左右達(dá)到近20開爾文，其相對較高的超導(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。
針對這一問題，應(yīng)劍俊等人對元素鈧進(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)測量發(fā)現(xiàn)鈧的第二個高壓結(jié)構(gòu)相，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增加而迅速增加，與早期的報道一致。而在進(jìn)入鈧的第三個高壓結(jié)構(gòu)相后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力幾乎保持不變。當(dāng)進(jìn)入鈧的第四個高壓結(jié)構(gòu)相后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的增加又繼續(xù)增加，最高達(dá)到28開爾文。當(dāng)體系最終在高壓下進(jìn)入鈧的第五個高壓結(jié)構(gòu)相后，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突然提升到36開爾文，并且隨壓力幾乎保持變化。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊通過第一性原理計算探索了高壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大幅提升的物理來源。計算結(jié)果表明：鈧的第五個高壓結(jié)構(gòu)相中d電子與中等頻率聲子之間的強(qiáng)耦合是導(dǎo)致其高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最主要原因。
研究人員介紹，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)，在鈧的第五個高壓結(jié)構(gòu)相中發(fā)現(xiàn)的36開爾文超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不但刷新了元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄，而且也為在簡單體系中尋找高溫超導(dǎo)材料提供了一個新的思路。
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