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.     

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。     

LaAlO3/SrTiO3异质界面磁场调控的反常金属态

自LaAlO₃/SrTiO₃异质界面发现高迁移率的二维电子气以来,其二维超导电性、界面磁性和自旋轨道耦合等诸多物理性质已经被广泛研究.对于二维超导体,零温下超导-反常金属相变的起源仍然是一个悬而未决的问题.传统理论认为在超导-绝缘量子相变中只存在2种基态,即库珀对的超导基态和绝缘基态.然而在研究超导颗粒膜中超导电性的演化与厚度和温度的关系时发现,存在一个中间金属态破坏了超导体和绝缘体之间的直接过渡.这种中间金属态的标志性特征是,在超导转变温度之下存在饱和的剩余电阻,与之对应的基态称作反常金属态.本文主要对在LaAlO₃/SrTiO₃(001)异质界面磁场诱导的超导-反常金属量子相变进行了系统的研究.在没有外加磁场的情况下,电阻-温度(R-T)曲线和电流-电压(I-V)特性曲线表明样品在超导转变温度之下处于超导态.外加磁场会导致样品在低温下出现饱和电阻、正的巨磁阻和低电流范围内的线性I-V曲线.另外,霍尔电阻在一定的磁场之下会出现零电阻平台,而此时纵向电阻不为零,表现出明显的玻色金属态的特征.研究结果...     

锂金属的超导电性

日本东京大学的 Shimizu 教授与他的同事在实验室中完成了对锂金属的超导电性研究,锂的超导转变温度是 20K,转变压强为 48 GPa,他们的成果显示了一个重要的结论,即越轻的元素将具有越高的转变温度.从这个原理外推,Shimizu 教授猜测,氢元素的超导电转变温度有可能达到室温,但却需要极高的转变压强,其数值将达到 400 GPa的水平.锂金属的超导电性@云中客     

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。     

二维层状材料FePSe3的高压物性

FePSe₃在高压下会出现半导体到金属的转变、超导电性以及高自旋到低自旋的转变等多种有趣的物理现象，但目前对其在高压下的晶体结构分析仍以理论研究为主，结构的不确定阻碍了对其物理性质的深入研究。为此，利用金刚石对顶砧结合高压拉曼光谱、高压同步辐射X射线衍射以及高压电输运测量，对FePSe₃在高压下的行为进行了研究。结果表明，FePSe₃在低于60.0 GPa的压力范围内经历了3次结构相变，完成了LP—HP1—HP2—HP3的转变。首次在实验上观测到FePSe₃的高压新相HP2和HP3，并给出其可能的空间对称群。HP2相和HP3相具有超导电性，超导温度随压力的升高而降低，致使超导相图呈现“穹顶”状。研究结果为进一步厘清FePSe₃的压致相变行为提供了重要的实验支撑。     

压强下TaB和TaB2力学和超导性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 在广义梯度近似下研究了TaB和TaB2在不同压强下的弹性常数、原子结构、电子结构以及超导性质及其对两者物理性质不同进行了比较. 计算结果表明随着压强的增加, 弹性常数和体弹模量随之增加, 而相对晶格常数a/a0, b/b0, c/c0和相对体积V/V0随压强增加而减小. 在高压下, TaB沿着a轴方向的压缩性要比b轴方向大, 而b轴方向的压缩性要比c轴方向大; TaB2是沿着c轴方向的压缩性要比a轴方向的压缩性大. 电子结构分析表明TaB2的原子态杂化程度比TaB的原子态杂化程度要高, 这与TaB2的体弹模量比TaB的体弹模量高的结果相一致. 依据Bardeen-Cooper-Schrieffer超导理论, TaB和TaB2费米能级处态密度的值随着压强的增加而降低, 说明它们的超导转变温度Tc随着压强的增加而降低.     

高压下钇的固体电子结构、电声矩阵元之变化及其超导电性

本文用KKR能带方法计算了常压、220千巴和280千巴压强下钇的能带结构并作了超导电性方面的分析.结果表明,高压下钇电子-声子耦合中的系数η和平均电声矩阵元〈I~2〉随压强升高而很快增加,从而导致超导转变温度迅速提高.高压下钇费米能附近f成份增加,同时df散射项的贡献对η的增加起了主导作用.     

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。     

低温凝聚InSb膜相变过程中的时间效应和超导电性

本文研究了低温凝聚InSb膜相变过程中出现的时间效应和超导电性,获得了几个重要结果:(a)低温凝聚InSb膜从发生第一次电导跃变以后到第二次电导跃变之前,样品处于同一非晶金属态,并且具有相同的超导转变温度T_c;(b)T_c和退火温度T_a的关系十分类似于电导随T_a的变化关系;(c)随着第二次电导峰值后的电导下降,在某些特殊的相变区R(T)超导转变中,样品由完全的超导电性逐渐过渡到部分的超导电性;(d)相变过程中存在显著的时 关键词：     

Li2C2中电声耦合及超导电性的第一性原理计算研究

通过第一性原理密度泛函和超导Eliashberg理论计算, 我们研究了Li₂C₂在Cmcm相的电子结构和电声耦合特性, 预言这种材料在常压和5GPa下是由电声耦合导致的转变温度分别为13.2 K 和9.8 K的超导体, 为实验上探索包含一维碳原子链的材料中是否可能存在超导电性、发现新的超导体提供了理论依据. 如果理论所预言的Li₂C₂超导电性得到实验的证实, 这将是锂碳化物中转变温度最高的超导体, 高于实验观测到的LiC₂的1.9 K和理论预言的单层LiC₆的8.1 K超导转变温度.     

新超导体MgCNi3的虚晶掺杂研究

用全势线性缀加平面波方法,考虑局域自旋密度近似研究虚晶掺杂MgCNi₃的超导电性和磁性.计算了自旋极化能带结构、体弹性模量和它对压力的导数、原子磁矩m及其变化率.计算结果表明，对于电子掺杂的Mg_1-xAl_xCNi₃(0≤x≤0.5)，超导电性和磁涨落随掺杂量的增加逐渐减小.空穴掺杂的Mg_1-xNa_xCNi₃,在x＝0.12处出现铁磁相变，超导电性消失.在MgCNi₃少量空穴掺杂区域(0≤x<0.12)，表现为超导与磁涨落共存的不稳定状态. 关键词： 超导电性 能带结构 态密度 磁性     

高压下FCC相金属氢结构稳定性和非谐效应的理论研究

利用第一性原理分子动力学方法研究金属氢体系的非简谐效应, 给出金属氢的声子谱, 讨论金属氢声子谱的温度效应。计算得到氢的同位素氕、氘和氚的FCC相在非零温下的声子谱, 不同温度下的声子谱对比发现零温下3.6 TPa为热力学稳定的临界压强点, 而有限温度下(100 K)临界压强点降到2.8 TPa, 非简谐效应显著地改变了体系的结构稳定性和声子振动性质。     

高压下ZnO的结构、弹性性质和吸收光谱的第一性原理研究

 运用基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势方法（PWP）,结合局域密度近似（LDA）以及广义梯度近似（GGA）,系统地研究了ZnO的纤锌矿结构（B4结构）,NaCl结构（B1结构）和CsCl结构（B2结构）在不同压强下的几何结构、弹性性质和吸收光谱。详细研究了ZnO发生的两次相变（B4→B1及B1→B2相变）,得到了不同近似下的相变压强,以及两次相变过程中其弹性常数随压强的变化,并分析了这种变化与相变的关系。发现在高压作用下,ZnO的吸收光谱发生蓝移。通过计算结果和实验结果的比较可以看出,LDA近似下的计算结果更加符合实验结果。     

高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的赝势平面波方法研究了高压下超导材料 ErNi₂B₂C 的弹性性质、电子结构和热力学性质.分析表明, 弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和弹性各向异性因子的外压力效应明显. 电子态密度(DOS)的计算结果显示, 在费米能级(E_F)处的 DOS 峰随外界压强的增大显著降低, 由于 ErNi₂B₂C 相对较高的超导温度(T_c)起因于E_F处的 DOS 峰, 因此推测压强增大可能会降低 ErNi₂B₂C 的 T_c.类似的现象在超导材料 MgB₂和 SrAlSi 中已被发现.此外, 基于准谐德拜模型, 对 ErNi₂B₂C 在高温高压下的热力学性质的研究表明, 在一定范围内, 温度和压强将对其热膨胀系数和热容产生明显的影响. 关键词： 高压 弹性性质 电子结构 热力学性质     

钡在加压条件下的固体电子结构与超导电性

用自洽半相对论 LMTO 方法计算了钡在100千巴以下几个压强点的固体电子结构,利用 GG 公式计算了电声耦合常数中的参量,并结合钡的熔点数据计算其超导转变温度,对钡在加压条件下超导电性迅速改善的原因进行了探讨.     

高压下Zn2GeO4带隙变化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Zn₂GeO₄晶体在高压下的电子结构和带隙变化行为. 研究结果发现, 随着压强的增加, Zn₂GeO₄ 能带间隙先变大, 在压强为9.7 GPa时达到最大值, 然后减小. 通过电子态密度、电荷布居数和电子差分密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0< P< 9.7 GPa), 带隙的变大主要是由于原子间距离的减小造成的共价性增强和Ge原子随压强的变大局域性增强引起的; 在高压区域(P>9.7 GPa), 则是出现了离域现象, 诱发了离域电子的产生, 从而使带隙减小.     

BaF2高压相变行为的第一性原理研究

通过理论计算研究了BaF₂在高压下的晶体结构及物理性质.结果表明,在3.5和18.3 GPa,BaF₂依次经历了Fm■m-Pnma-P6₃/mmc两次结构相变,相变过程伴随着体积的塌缩,均为一级相变.约15 GP时,Pnma相晶轴压缩性出现异常,表现为随压强增大,晶轴b_o轻微增加,a_o略微减小.对其电子态密度进行分析发现,在16 GPa以后,由于F1原子的p_y+p_z与p_x轨道电子离域,导致其带隙随压强增加而降低.在约20 GPa时,Pnma相完全转变为P6₃/mmc相,相变完成.对BaF₂的拉曼峰位随压强变化进行了计算,为其高压拉曼光谱行为提供了相应的理论依据.计算了P6₃/mmc相在不同压强下的声子色散曲线,揭示了其卸压过程中的滞后机制,计算结果还预测该物相至少可以稳定到80 GPa.     

金红石→萤石TiO2相变的第一性原理计算

利用第一性原理平面波密度泛函理论并结合准谐德拜模型,对TiO₂从金红石结构到萤石结构的相变进行理论研究.依据焓相等原理,得到TiO₂从金红石结构到萤石结构的相变压强为45.32 GPa,并通过吉布斯能的计算发现相变压强随温度的增加而增加,运用拟合的方法估计实验条件下的相变压强(温度为1900-2100K时,P_t=47.604~47.756 GPa).运用等吉布斯能原理,得到零压下从金红石到萤石结构TiO₂的相变温度为2029 K.计算结果与实验及其他理论值相符,并通过准谐德拜模型成功获得相变前后的结构和热力学性质,如相对体积、热膨胀系数、热容和德拜温度等.     

第一性原理对金的高压相变和零温物态方程的计算

在密度泛函理论下，用缀加平面波加局域轨道方法，分别采用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)对金的面心立方晶格结构(fcc)、体心立方晶格结构(bcc)和六角密堆积结构(hcp)的结构能量进行了计算.在GGA下，计算得出fcc向hcp和hcp向bcc的相变分别发生在380GPa 和1250GPa；而LDA下相变分别发生在490GPa和790GPa.当计算压强达到2TPa时，bcc在这两种近似下仍然保持稳定的结构.根据不同体积下不同结构的电子态密度的特征，对发生相变的物理原因进行了定性的分析，在此基础上得到了金的零温状态方程. 关键词： 缀加平面波方法 固态相变 电子态密度 物态方程