北京
6月16日，從寧波大學獲悉，該校崔田教授、黃艷萍副教授團隊聯(lián)合上海前瞻物質(zhì)科學研究院曾橋石研究員團隊，在超高壓超導材料研究領域取得重要突破。該團隊在相當于地球內(nèi)核數(shù)倍的超高壓環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)了一種名叫三硫化鉭的材料能接連“變身”出三種不同的超導狀態(tài)，最高超導轉(zhuǎn)變溫度達到零下255.75攝氏度，刷新了同類材料的紀錄。相關成果近日發(fā)表在國際期刊《美國化學會志》上。
什么是超導？簡單來說，就是某些材料在溫度降到足夠低的時候，電阻會突然“消失”，電流可以毫無損耗地通過。如果能找到在更高溫度下就能實現(xiàn)超導的材料，就意味著輸電線可以零損耗送電，磁懸浮列車可以更高效運行，醫(yī)院核磁共振設備也可以更便宜。正因如此，尋找更高溫度的超導體一直是全球物理學家的終極目標之一。在三硫化鉭這類被稱為“準一維”的奇特材料中，電子只能在一條條“窄道”里跑，就像高速公路上的單行道。這類材料雖然充滿了有趣的物理現(xiàn)象，但電子“擠”在窄道里，很難形成穩(wěn)定的超導狀態(tài)，所以此前這類材料的超導溫度一直卡在零下263攝氏度以下，多年難以突破。理論計算早就預言，三硫化鉭在高壓下有可能“解鎖”更高的超導溫度，但一直沒有人在實驗中親眼見證。
為了驗證這一預言，研究團隊把三硫化鉭樣品放進了金剛石對頂砧——這是一種能產(chǎn)生極端高壓的裝置，原理就像把一頭大象的重量集中壓在指甲蓋大小的面積上。研究人員從約6萬個大氣壓開始一路加壓，一直加到驚人的210萬個大氣壓，同時借助同步輻射X射線衍射透視材料內(nèi)部結構，并結合電磁輸運測量追蹤電阻變化。
實驗中上演了一出精彩的“變形記”：當壓力加到約6萬個大氣壓時，材料中的電荷密度波——可以理解為電子集體列隊形成的一種有序排列——被壓制下去，超導電性首次“登場”，被稱為SC-I相。繼續(xù)加壓后，在約29萬個大氣壓附近，超導忽然消失，再繼續(xù)加壓又回來了，形成第二個超導相SC-II。最精彩的轉(zhuǎn)折發(fā)生在約89萬個大氣壓處：材料內(nèi)部悄悄發(fā)生了一次隱身的結構相變——從外面看晶體形狀沒變，但內(nèi)部的原子排列已經(jīng)重組。隨之而來的是第三個超導相SC-III的誕生，超導溫度一下子躍升到零下263.05攝氏度。當壓力繼續(xù)攀升到210萬個大氣壓時，超導溫度攀升至零下255.75攝氏度，直接刷新了同類材料的最高紀錄。更讓團隊興奮的是，在這個壓力下超導溫度還在往上走，完全沒有見頂?shù)嫩E象，暗示著在更高壓力下還有可能創(chuàng)造新紀錄。
“打個比方，高壓就像一雙無形的大手，把材料內(nèi)部原本‘胖胖的’三角棱柱慢慢‘壓扁’，讓原子的排列從三條‘車道’并排變成了一條更高效的‘快車道’。”研究人員形象地解釋道。正是這種結構上的“瘦身”，讓鉭原子的電子和硫原子的電子靠得更近，合作更加緊密，電流通過時幾乎沒有阻力。同時，壓力還把電子的“運動軌道”調(diào)整得更整齊，電子和晶格振動之間的互動變得更頻繁，進一步放大了超導效應。這些變化疊加在一起，就像多米諾骨牌一樣，最終推高了超導轉(zhuǎn)變溫度。
該研究為通過高壓調(diào)控手段提升低維量子材料超導性能建立了一種新方法，為開發(fā)更高溫度的準一維超導體提供了切實可行的技術路徑。“這項研究的價值不只是破了一項紀錄，更重要的是我們第一次完整地畫出了這種材料在超高壓下的超導地圖，看清楚了它在不同壓力下會怎樣‘變身’。”研究團隊負責人表示，該研究不僅幫助科學家更好地理解了低維材料中電荷有序排列與超導之間的微妙關系，也為今后設計新型量子功能材料提供了寶貴的路線圖。
內(nèi)容來源：中國科技網(wǎng)
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