高压下富氢化合物的结构与奇异超导电性

在富氢化合物中,一方面由于非氢元素的存在会对氢的子晶格产生化学预压作用,这些体系比纯氢更容易金属化.另一方面由于含氢量较多,富氢化合物可能会具有像金属氢那样较高的超导转变温度,有望成为超导家族的新成员—–氢基超导体.高压下富氢化合物的结构及超导电性已成为物理、材料等多学科的研究热点,最近理论和实验发现硫氢化合物在高压下的超导转变温度达到200 K,创造了高温超导新纪录,进一步推动了人们对富氢化合物超导电性的研究.本文主要介绍了近年来高压下几种典型富氢化合物的结构、稳定性、原子间相互作用、金属化及超导电性,希望未来能在富氢化合物中寻找到具有更高超导转变温度的超导体.     

第二主族氢化物的高压研究

富氢化合物的压致金属化和超导电性是实现金属氢和高温超导体的有效途径,已成为物理学、材料科学等学科的研究热点之一。从应用上看,富氢化合物是潜在的储氢材料,研究高压下富氢化合物结构和性质变化是提升其储氢性能的有效手段。以典型的第二主族氢化物为例,简要地介绍了第二主族氢化物在高压下的实验与理论研究成果,包括高压结构相变、新结构的稳定性以及金属化机制,并探讨不同的氢构型对压致金属化及超导电性的影响。     

高压下二元富氢超导体的实验研究进展

自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来,人们不断努力提高超导转变温度,室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中,铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB₂超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知,也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近,理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力,成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是,高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度,引领了富氢化合物的研究热潮,涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展,从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体：间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体,总结出一些影响超导转变温度的普适规律,并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。     

高压下氢基高温超导体研究的新进展

富氢材料被认为是室温超导体的最佳候选体系,是物理学、材料科学等多学科的热点研究领域之一。理论和实验研究发现的新型共价氢化物H3S和笼状氢化物LaH10的超导转变温度(T_c)均超过200 K,进一步推动了对富氢化合物超导电性的探索。最近,通过高压实验合成的碳质硫氢化物在288 K的室温下实现了零电阻,让人们看到了室温超导的曙光。本文结合课题组在此领域的主要成果,介绍了3类典型富氢化合物的结构及超导特性,包括近期首次在层状氢化物中发现的具有类五角石墨烯结构的富氢超导体HfH₁₀,其超导转变温度高达213~234 K。     

高压下富氢高温超导体的研究进展

近年来,高压强极端条件下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点目标材料体系.该领域目前取得了两个标志性重要进展,先后发现了共价型H3S富氢超导体(Tc=200 K)和以LaH10(Tc=260 K,–13℃),YH6,YH9等为代表的一类氢笼合物结构的离子型富氢超导体,先后刷新了超导温度的新纪录.这些研究工作燃发了人们在高压下富氢化合物中发现室温超导体的希望.本文重点介绍高压下富氢高温超导体的相关研究进展,讨论富氢化合物产生高温超导电性的物理机理,展望未来在富氢化合物中发现室温超导体的可能性并提出多元富氢化合物候选体系.     

四甲基硅烷的高压拉曼散射研究

选用四甲基硅烷作为富氢电子材料,利用拉曼光谱,分析其在室温高压(68.9~142.2GPa)下的振动模式和结构特性。结果表明:随着压力的增大,四甲基硅烷仅保留常压下的3个振动模式,且均被压力锁定;从72.2GPa开始,出现了新的振动模式,且均随着压力的增大而发生软化,预示着四甲基硅烷可能即将半金属化。     

高温超导体的磁激发:探寻不同体系铜氧化合物的共同特征

文章回顾了中子散射在高温超导铜氧化合物磁激发研究中的最新进展．自从铜氧化合物在20年前被发现以后，理解它们超导电性的微观来源一直是凝聚态物理中的核心课题．在传统超导体中，使得电子成对形成超导态的相互作用是以晶格振动（声子）为媒介的、而对于铜氧化合物的超导机理，人们通常认为磁激发可能起到根本的作用，因为超导电性是在可移动的“电子”或“空穴”掺杂到反铁磁母体化合物之后才发生的．文章总结了过去20年来利用非弹性中子散射研究磁激发的关键结果和现状，并指出了将来可能的研究方向．     

Fe0.5Cu0.5BaSrYCu2Oy化合物的结构和超导电性研究

实验采用常压和高压分别制备出含铁的FexCu1-xBaSrYCu2Oy（x= 0～1）系列化合物，本文主要研究x=0.5时样品的结构和超导电性.测量结果显示，高压合成的样品均具有超导电性，对于x=0.5的样品超导转变温度Tc(onset)～57K， Tc(0)～40K，而常压合成的样品当Fe含量x>0.3时均不超导.为此，我们利用透射电子显微镜（TEM）研究了该体系的微观结构特性，并通过电子能量损失谱(EELS)揭示出高压合成导致样品中载流子浓度明显高于常压样品，证明样品制备过程中高压有利于超导电性的形成.同时对高压样品中的缺陷和局域晶体结构畸变进行了深入分析.     

固体氢在极端压强下的超导性能

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对固体氢在极端高压(0.5～5.0 TPa)下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明：固体氢的高压相变序列为I4₁/amd→oC12→cI16;对于同一种结构,随着压强增加,电声耦合系数减小,费米面处电子态密度减小,特征振动频率增加,超导转变温度发生小幅变化;在2.0 TPa压强下,固体氢的超导转变温度高达418 K(库伦赝势经验值μ^*=0.10)。研究工作将为金属氢及其超导电性的后续理论和实验研究提供参考。     

氢水化合物中氢键对称化和预压作用下氢行为

氢水化合物作为潜在的环境友好型储氢含能材料引起了众多关注。结合金刚石对顶砧装置和原位拉曼光谱测量、同步辐射X射线衍射光谱测量两种表征手段,试图深入理解高压驱动下氢的特征行为,寻找可能的高压富氢相。结果显示,目前已知最高含氢比例1∶1的相C2在压力24.5 GPa时发生相变,更多的氢分子特征峰随相变出现。通过对理论预测结构的拟合,该相最终被确定为P41,氢水比例达到2∶1,且在卸压时能够稳定保存至8.6 GPa。考虑到冰中氢键对称化对压致相变和结构稳定性的重要作用,着重观测了氢键的行为,首次探测到水分子之间氢键对称化过程中完整的费米共振现象。通过对O-H对称伸缩振动模式软化行为的拟合,最终确定氢键对称化发生在55 GPa,同时拉曼光谱测量显示有更进一步相变伴随发生。氢水化合物中不同氢团簇对化学预压作用表现出截然不同的应激反应,这在此体系中也是首次被注意到,对含氢体系和纯氢中氢的金属化研究具有一定参考作用。     

高压调控的磁性量子临界点和非常规超导电性

通过化学掺杂或者施加高压等调控手段抑制长程磁有序可以实现磁性量子临界点,在其附近往往伴随出现诸如非费米液体行为或者非常规超导电性等奇特物理现象.相比于化学掺杂,高压调控具有不引入晶格无序和精细调控等优点.利用能提供良好静水压环境的立方六面砧和活塞-圆筒高压低温测量装置,首先系统研究了具有双螺旋磁有序结构的CrAs和MnP单晶的高压电输运行为,分别在P_c≈0.8 GPa和8 GPa实现了它们的磁性量子临界点,并在P_c附近分别观察到T_c=2 K和1 K的超导电性,相继实现了铬基和锰基化合物超导体零的突破;然后,详细测量了FeSe单晶高压下的电阻率和交流磁化率,绘制了详尽的温度-压力相图,揭示了电子向列序、长程反铁磁序和超导相之间的相互竞争关系,特别是在接近磁有序消失的临界点P_c≈6GPa附近观察到T_c~(max)=38.5K的高温超导电性,表明临界反铁磁涨落对FeSe中的高温超导电性起重要作用.     

铁基超导体系基于电子关联强度的统一相图

铁基超导和铜基超导具有诸多相似性,这为建立统一的高温超导机理图像提供了可能性.然而,对铁基超导体系中无论是进行电荷掺杂、还是等价掺杂来改变化学压力,都能产生定性上类似、而细节上纷繁复杂的相图,这对建立统一的图像造成了困难.研究化学掺杂效应如何在微观上影响电子结构和超导电性,区分主导超导电性演化的主要因素和次要因素,对建立统一图像和揭示高温超导机理至关重要.本文综述了对铁基超导体系中化学掺杂效应的一系列角分辨光电子能谱研究,涵盖了基于FeAs和FeSe面的多种代表性铁基超导体系,包括异价掺杂、等价掺杂、在元胞不同位置的化学掺杂,及其对电子体系在费米面结构、杂质散射、电子关联强度等方面的影响.实验结果表明：电子关联性或能带宽度是多个铁基超导相图背后的普适参数,不同的晶格和杂质散射效应导致了并不重要的复杂细节,而费米面拓扑结构与超导电性的关联并不强.这些结果对弱耦合机理图像提出了挑战,并促使人们通过局域反铁磁交换作用配对图像在带宽演化层面上统一地理解铁基超导.     

中国科学院物理研究所超导国家重点实验室

超导电性是指材料在低温下电阻完全消失的一种物理现象。超导电性的研究一直是凝聚态物理的重要课题,对基础理论创新和应用技术发展两方面都有着重要的意义。自1911年荷兰物理学家Onnes发现超导电性以来,已经有5次诺贝尔物理学奖授予和超导相关的研究。1986年铜氧化合物超导体     

富氢高温超导材料

超导研究历经百余年仍方兴未艾,室温超导依然是全球科学家孜孜以求的目标。近年来,人们在超过百万大气压的超高压下发现的H_3S、LaH_(10)等富氢高温超导材料不断刷新着超导临界温度的记录,为最终实现室温超导带来了曙光,从而吸引了广泛关注。文章以超导材料发现的时间线为轴,概述了目前发现的主要超导材料体系和基于电—声耦合机制的BCS超导理论,重点介绍了当前富氢化合物高温超导材料的研究进展、存在的问题与挑战、以及未来可能的研究思路。     

百年超导,魅力不减

超导电性发现已有百年了,它已经成为物理学中的一个重要分支,与超导有关的诺贝尔奖已经授予了5次.超导电性的应用也已在许多方面发挥着不可替代的作用.100年虽然已经过去,但人们对超导研究的兴趣依然未减.例如,虽然很多一流的物理学家都在努力,但铜氧化合物超导体以及新发现的     

强关联电子系统超导电性的高压研究

具有强关联电子特性的凝聚态系统中,电子间的强关联性主导系统的宏观量子特性。这类系统具有电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等多重自由度,这些自由度强烈耦合,产生复杂的多体相互作用,导致系统出现丰富奇异的量子现象,如非常规超导电性、庞磁电阻、金属-绝缘体转变、拓扑量子相变等。其中,非常规超导体的研究于近几十年取得了不少进展,例如发现了铜氧化物高温超导电性和铁基超导体,然而导致非常规超导电性的原因,尤其是对高温超导电性的机理认识目前尚不清楚,非常规超导机理一直是凝聚态物理研究领域中最具挑战性的问题之一。为此,简要介绍了近年来我们通过高压实验手段在重费米子超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体这3类主要的非常规超导体研究中取得的进展、发现的新现象以及反映的新物理机理,包括磁性和超导电性的演化关系、价态变化对超导电性的影响、铜氧化物的普适压力相图等,旨在提供非常规超导体在高压研究方面的一些实验新进展,以期为更好地理解非常规超导的微观机理提供压力维度下的一些信息。     

静态高压下氢的金属化研究与非弹性X射线散射技术

高压下氢的研究一直是高压物理实验和理论研究的热点,这源于人们对压致金属态—金属氢的追求。氢的压致金属化归根结底是氢的电子结构变化。在压力作用下,氢的电子结构会从低压下的宽禁带绝缘体转变为高压下的窄带隙半导体,最终成为超高压下带隙闭合的金属态。然而,多年来,由于实验条件所限,一直无法对氢的宽禁带带隙和电子结构进行直接实验观测。本文将介绍氢金属化实验技术方面存在的挑战和经历的发展,以及利用新近发展的基于同步辐射非弹性X射线散射技术首次对宽禁带固态氢带隙的研究和相关技术突破,并探讨其可能的发展趋势和方向。     

二元富氢高温超导的实验研究进展

近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注,理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作,详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。     

新型超导材料MgCNi3的电子结构与超导电性研究

用MS-Xα方法研究了非氧化物超导材料MgCNi3的电子结构.研究结果显示,态密度分布曲线的主峰靠近Fermi面,主要来自于Ni的d电子的贡献.用T(T=Co,Mn,Cu)替代MgCNi3中的部分Ni形成化合物MgCNi2T,替代使Ni的价电子数减小,价态发生变化,Fermi面处态密度N(EF)减小.计算结果表明:无论是电子掺杂(Cu)还是空穴掺杂(Co,Mn),MgCNi3的超导电性都被抑制;Mn掺杂比Co掺杂更快地抑制超导电性,Co是作为空穴掺杂而不是作为磁性杂质掺杂去抑制超导.     

高压下惰性元素氦化合物的研究进展

氦(He)是元素周期表第2号元素,也是宇宙中除氢以外含量最丰富的元素,广泛存在于恒星和气态巨行星(gas giant planets)的内部高压强(高压)极端环境中。氦因其满壳层的电子结构具有极强的化学惰性,极难与其他元素结合形成化合物。近年来,多项研究工作表明,惰性氦在极端高压条件下具有“不简单”的物理行为,如通过计算“预言”了在高压下稳定的铁氧氦化合物FeO₂He和具有反常原子传播的水氦化合物He-H₂O等。这些研究工作不仅有助于发现新的化学成键范式,也有力推动了高压物理、地学和行星科学等相关领域的研究进展。本文重点介绍了高压下氦化合物的相关研究进展,聚焦讨论氦化合物在高压下稳定的物理机制,并对未来在高压下设计和制备新型氦化合物的相关研究进行展望。