我院段德芳教授研究成果发表在《物理评论快报》

时间:2022-02-10    点击:

  近日,威利斯人娱乐app下载唐敖庆讲座教授、宁波大学崔田教授和威利斯人娱乐app下载段德芳教授等人,进一步发展了“化学预压缩”理论,在高压超导氢化物的理论研究方面又取得突破性进展。研究成果以“Design Principles for High-Temperature Superconductors with Hydrogen-Based Alloy Backbone at Moderate Pressure”为题,于2022年1月28日发表在Physical Review Letters上,并被选为编辑推荐文章(“Editor’s Suggestion”)。

  理论预测绝缘的分子氢在高压下会转变为金属的原子氢,即金属氢,它是潜在的高温超导体甚至室温超导体。但是迄今为止,实验上还没有给出合成金属氢的确切证据,估计需要极高的压力(500万大气压)。2004年N. W. Ashcroft提出了“化学预压缩”理论,通过在纯氢中引入活泼元素“预压缩”氢分子使之在较低的压力下进入金属相,并且具有高温超导电性。基于此理论,人们在高压下发现了一系列超导温度超过200K的氢基超导体,如共价型富氢高温超导体H3S(Tc=203K,P=155GPa),“笼状”离子型富氢高温超导体LaH10(Tc=250K,P=170GPa),和碳质硫氢化物室温超导体(Tc=288K,P=267GPa,目前还存在争议),不断刷新超导温度的新纪录。

  “化学预压缩”理论无疑是非常成功的,它使得本应在500万大气压以上稳定的氢金属相,降低到了150万大气压左右。但是这么高的压力只能在金刚石对顶砧中合成微米量级的样品,如果把氢化物的合成压强降低到几十万大气压,那么就有希望在大腔体压机中合成毫米级样品,因此在较温和的压力条件下获得富氢高温超导相是目前该领域的一个非常关键科学问题。

图1 化学预压缩氢合金骨架设计原理

  该研究进一步发展了“化学预压缩”理论,提出了“预压缩”的氢合金骨架理论,即用较大半径的金属元素化学预压缩轻质元素(Be,B元素等等)的二元富氢体系使之进入氢合金相,进一步降低合成压力,氢合金骨架呈现连通的三维结构,具备高温超导电性。比起“化学预压缩”纯氢体系使之进入金属氢相,氢合金骨架的低压稳定性显著优异于金属氢骨架。基于这个思想,他们设计了一系列AXH8(A=La, Y, Ca, X=Be, B, Al)型氢基高温超导体家族(>150K),具有类萤石结构的氢合金骨架,兼具低压稳定性和高温超导电性。其中性质最优异的立方LaBeH8在98GPa热力学稳定,20GPa动力学稳定,185K进入超导态。与之前发现的超氢化物相比,动力学稳定压力低了一个数量级,有被大腔体压机合成的潜力。该研究提出了进一步降低氢基超导体稳定压强的理论,在理解氢基高温超导体的低压稳定性方面取得标志性进展,同时向常压下实现室温超导迈出了重要的一步。

图2 萤石骨架超导体和其它经典超导体的超导转变温度和压力的关系。

抛物线是超导品质因数,定义如下,超导品质因数越高,超导体的超导转变温度越高,压强越低。

  该论文第一作者为威利斯人娱乐app下载超硬材料国家重点实验室的张子涵博士,通讯作者为威利斯人娱乐app下载的段德芳教授和宁波大学物理科学与技术学院的崔田教授。该工作得到了国家自然基金委项目、国家重点研发计划项目、威利斯人娱乐app下载高性能计算中心与国家超级计算天津中心天河一号的大力支持。

  论文全文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.047001


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