進(jìn)展丨鈦刷新元素超導(dǎo)紀(jì)錄

分類(lèi)：行業(yè)新聞
作者：張博
來(lái)源：中科院物理所
發(fā)布時(shí)間：2022-11-17

【概要描述】

詳情

金屬鈦是高技術(shù)領(lǐng)域的重要原材料，由于它質(zhì)量輕密度小、機(jī)械強(qiáng)度高，以及耐腐蝕等優(yōu)異性能，在太空、大洋、深地等極端環(huán)境具有廣泛甚至不可替代的應(yīng)用價(jià)值。如今，單質(zhì)鈦金屬在高壓展現(xiàn)出新的突出性能，在已知元素超導(dǎo)體中呈現(xiàn)T_c 26 K以上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變最高溫度。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室靳常青團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展高壓極端條件新材料制備及功能調(diào)控研究，設(shè)計(jì)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓、低溫、強(qiáng)場(chǎng)和激光加熱的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)裝置，可進(jìn)行超高壓高溫合成和在位物性聯(lián)合表征研究。運(yùn)用以上先進(jìn)的極端條件技術(shù)，他們相繼揭示了系列功能材料在極端條件的新奇構(gòu)效關(guān)聯(lián)，包括關(guān)聯(lián)、拓?fù)?、聚合物等新興功能材料體系 (PNAS 105, 7115(2008)；JACS 132, 4876(2010)；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))。他們近期運(yùn)用高壓合成技術(shù)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)4d過(guò)渡金屬富氫高溫超導(dǎo)材料T_c 71K的鋯基超導(dǎo)體（Sci. Bull. 67, 907 (2022)），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)5d過(guò)渡金屬富氫高溫超導(dǎo)材料T_c 83K的鉿基超導(dǎo)體(Mater Today Phys 27, 100826(2022))；他們獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了210K以上的鈣基富氫高溫超導(dǎo)體（Nature Commun. 13, 2863 (2022)），成為繼硫氫、稀土氫化物又1個(gè)T_c超過(guò)200K的2元高溫超導(dǎo)材料，進(jìn)一步拓展了高溫超導(dǎo)材料的范疇。

圖1 鈦金屬（a）248 GPa壓力具有T_c~26.2 K的元素超導(dǎo)座高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，（b）導(dǎo)電性隨壓力和隨溫度的演化，（c）在310GPa范圍高壓超導(dǎo)相圖。

靳常青、望賢成團(tuán)隊(duì)近期在元素超導(dǎo)研究上取得新進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了金屬鈦在高壓具有轉(zhuǎn)變溫度T_c>26 K的超導(dǎo)，刷新了元素超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度記錄 (圖1a)。高壓在位電學(xué)實(shí)驗(yàn)表征揭示：隨著壓力增加，鈦的T_c從2 K @18 GPa逐漸增加到~10 K @99 GPa；在~108 GPa壓力附近，T_c快速上升至~20 K；隨后T_c隨壓力緩慢增加，在248 GPa鈦的超導(dǎo)溫度達(dá)到最高值 26.2 K；隨著壓力進(jìn)一步增加，超導(dǎo)T_c略有下降（圖1b）。圖1c為金屬鈦的高壓超導(dǎo)詳細(xì)相圖，涵蓋常壓至310GPa (1GPa ~1萬(wàn)壓力)范圍，本實(shí)驗(yàn)達(dá)到的310萬(wàn)壓力是迄今報(bào)導(dǎo)所有已知材料可具有和保持超導(dǎo)特性的最高壓力。根據(jù)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變隨外加磁場(chǎng)的變化，估算26 K 鈦金屬的超導(dǎo)相的上臨界場(chǎng)μ₀H_c2(0)約為30 Tesla，對(duì)應(yīng)Ginzburg Landau超導(dǎo)相干長(zhǎng)度為32 Å（圖2 a、b）。

圖2 鈦金屬在248 GPa壓力（a）超導(dǎo)轉(zhuǎn)變隨外加磁場(chǎng)變化，（b）估算的相應(yīng)上臨界場(chǎng)。

美國(guó)內(nèi)達(dá)華大學(xué)Changfeng Chen教授團(tuán)隊(duì)理論計(jì)算表明，隨著壓力增大，費(fèi)米能級(jí)附近與3d軌道重疊的4s軌道能級(jí)進(jìn)一步上移，導(dǎo)致電子逐漸從4s軌道向3d軌道轉(zhuǎn)移；在180 GPa壓力以上，費(fèi)米能級(jí)附近能帶主要由3d電子占據(jù)（圖3），這表明高壓下金屬鈦的高溫超導(dǎo)與具有電子關(guān)聯(lián)屬性的3d電子密切相關(guān)。與美國(guó)APS團(tuán)隊(duì)及北京高壓科技中心科劉浩哲研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)高壓同步輻射X光衍射進(jìn)一步揭示金屬鈦在高壓發(fā)生系列晶體結(jié)構(gòu)相變，即具有六方密堆結(jié)構(gòu)的Tiα相（0～9 GPa）、六方結(jié)構(gòu)Tiω相（9～116 GPa）、畸變的六方密堆結(jié)構(gòu)Tiγ相（116～140 GPa）、畸變的體心立方結(jié)構(gòu)Tiδ相（140～243 GPa）、簡(jiǎn)單體心立方結(jié)構(gòu)Tiβ相（>243 GPa）。這些相具有相同或者比較接近的配位構(gòu)型，結(jié)合化學(xué)預(yù)壓設(shè)計(jì)有可能實(shí)現(xiàn)高壓超導(dǎo)相在近常規(guī)條件以亞穩(wěn)相的形式再現(xiàn)，亞穩(wěn)超導(dǎo)相常壓截獲已有先例。早在1965年Matthias和Geballe等發(fā)現(xiàn)Nb₃Ge具有17K的超導(dǎo)溫度，1973年Nb₃Ge常壓薄膜亞穩(wěn)相的超導(dǎo)溫度提升至23K的當(dāng)時(shí)已知超導(dǎo)材料最高記錄，這個(gè)最高溫度記錄一直保持到1986年銅基高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)?；赥i金屬高壓亞穩(wěn)相的特點(diǎn)，結(jié)合薄膜應(yīng)力和快冷等技術(shù)，有可能在常壓條件再現(xiàn)高溫超導(dǎo)相的結(jié)構(gòu)。倘若能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜亞穩(wěn)相超導(dǎo)，基于約瑟夫森效應(yīng)，Ti單質(zhì)26K高溫超導(dǎo)將在量子電路設(shè)計(jì)構(gòu)筑上具有重要應(yīng)用前景。NbTi合金是目前廣泛應(yīng)用的合金超導(dǎo)材料(占低溫超導(dǎo)材料強(qiáng)電應(yīng)用90%以上)，但它的超導(dǎo)溫度只有10K左右，上臨界場(chǎng)約為15Tesla。相較NbTi合金超導(dǎo)材料，鈦元素超導(dǎo)體的超導(dǎo)溫度和上臨界場(chǎng)都翻了1番，在極端使役條件和強(qiáng)電領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。

圖3 鈦金屬在不同壓力的電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算：（a）Tiω @20 GPa，（b）Tiγ @ 100 GPa和（c）Tiδ @ 180 GPa。紅色和灰色分別代表4s和3d軌道在能帶上投影，點(diǎn)大小代表能帶投影權(quán)重。

本工作揭示了通過(guò)電聲耦合與電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的聯(lián)合作用，可以在單元素等組分簡(jiǎn)單的材料實(shí)現(xiàn)更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，這將使得超導(dǎo)材料的加工和應(yīng)用變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

以上研究工作發(fā)表在Nat. Commun. 13,5411(2022)上，博士研究生張昌玲和何鑫為共同第一作者，望賢成、Changfeng Chen和靳常青為共同通訊作者。研究得到基金委創(chuàng)新研究群體、科技部和中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目的資助。

關(guān)鍵詞：

上一個(gè): 鈦棒的分類(lèi)