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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國科學(xué)院強耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝教授團隊的應(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在高壓元素超導(dǎo)領(lǐng)域取得重要進展。通過超高壓技術(shù)手段，研究團隊發(fā)現(xiàn)元素鈧在高壓下具有高達36 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，刷新了元素超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度的記錄。相關(guān)研究成果于6月22日以“Record High 36 K Transition Temperature to the Superconducting State of Elemental Scandium at a Pressure of 260 GPa”為題在線發(fā)表在《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 130, 256002 (2023)）。

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 K，是由元素鈦在高壓下所實現(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 GPa以上，Sc-I相會轉(zhuǎn)變?yōu)镾c-II相，并且Sc-II相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在100 GPa左右達到最高近20 K，其相對較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度被認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。

圖示：元素鈧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的演化相圖。

針對這一問題，我校陳仙輝教授研究團隊的應(yīng)劍俊特任研究員等人對元素鈧進行了超高壓下的輸運研究，確定了其高壓下的超導(dǎo)相圖。通過高壓電輸運測量發(fā)現(xiàn)在Sc-II相，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）隨壓力增加而迅速增加，與早期的報道一致。而在進入Sc-III相后，Tc隨壓力幾乎保持不變。當(dāng)進入Sc-IV相后，Tc隨壓力的增加又繼續(xù)增加，最高達到28 K。當(dāng)體系最終在高壓下進入Sc-V相后，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突然提升到36 K，并且隨壓力幾乎保持變化。隨后，研究團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：Sc-V相中d電子與中等頻率聲子之間的強耦合是導(dǎo)致其高Tc的最主要的原因。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Sc-V相中發(fā)現(xiàn)的36 K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不但刷新了元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄，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。

中科大物理學(xué)院應(yīng)劍俊特任研究員為相關(guān)文章的第一作者和共同通訊作者，陳仙輝教授和南京大學(xué)孫建教授為上述文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及安徽省引導(dǎo)項目的相關(guān)基金資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.256002

（物理學(xué)院、中國科學(xué)院強耦合量子材料物理重點實驗室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）

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