鉭基富氫新材料研製和高壓超導性的發現 | 進展_風聞

來源：中科院物理所

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材料構效提供獨特機遇。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室靳常青團隊長期開展高壓極端條件新材料製備及功能研究,設計研發了具有自主知識產權的先進的高壓、低温、強場和激光在位加熱聯合實驗裝置，可進行超高壓高温合成和在位物性表徵。運用以上極端條件技術，他們相繼揭示了系列高壓誘發的極端條件材料構效，包括超導、磁電耦合、多階有序鈣鈦礦等新興功能材料體系 (PNAS 116, 12156(2019); Angew. Chem. Int. Ed. 59, 8240 (2020); Nature Commun. 12, 747 (2021); Nature Commun. 13, 5411 (2022); Adv. Mater 34, 2106728 (2022); Adv. Mater 35, 2209759 (2023))。

圖1.鉭基富氫材料展示30 K的高壓超導轉變。

高壓富氫化合物的理論預測和實驗發現引發了對新型富氫化合物材料和超導的研究。目前實驗報道的富氫化合物超導集中在稀土、鹼土和主族元素（P、S以及Sn等）上，靳常青團隊近期相繼獨立發現Tc = 210 K的鈣基富氫超導材料CaH6 (Nature Comm 13, 2863(2022))、首個4d二元富氫高温超導材料ZrH6 (Sci Bull 67, 907(2022))、首個5d二元富氫高温超導材料HfH14 (Mat Today Phys 27, 100826 (2022))和重稀土金屬二元富氫高温超導材料Lu4H23 (Sci China-Physics Mech & Astr 66, 267411(2023))。

圖2.鉭基富氫材料的超導轉變温度隨磁場增加逐漸降低。

近期，靳常青研究員指導博士生何鑫、張昌玲等人在VB過渡元素富氫化合物的新材料研究取得了新進展。運用先進的超高壓金剛石壓砧實驗技術，在197 GPa 高壓和2000 K的高温成功製備高質量的鉭基富氫材料，並發現該樣品具有Tc為30 K高壓超導轉變(圖1)。外加磁場，超導轉變向低温區移動，這和超導現象一致(圖2)。根據Tc隨磁場的演化，估算上臨界場約為20 Tesla，對應金茲堡~朗道相干長度約40 Å。他們與APS線站和高科劉浩哲研究員團隊合作開展高壓結構表徵實驗，圖3為樣品高壓衍射圖譜，結果顯示樣品的超導性質來源於立方相的TaH3。由於Ta金屬失去電子能力顯著小於鹼土金屬、稀土金屬和IVB族金屬，因此高壓下製備氫化物樣品的氫含量較小，導致氫金屬化的超導温度偏低。該項研究進一步拓展了富氫高温超導材料的範疇，為高温超導機理研究提供了新素材。

圖3.鉭基富氫材料樣品高壓x光衍射圖及可能結構精修。

相關研究成果發表在**Chinese Physical Letters 40, 57404(2023) (Express Letters)**上，靳常青、望賢成和王魯紅為共同通訊作者，博士研究生何鑫和張昌玲為共同第一作者。研究工作得到了得到基金委、科技部和中科院項目的資助。