北理工在室溫超導(dǎo)研究方面取得重要進展

發(fā)布日期：2021-02-28 供稿：物理學(xué)院

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近期，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授課題組與羅徹斯特大學(xué)Ranga P. Dias副教授（室溫超導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)者）、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校Russell J. Hemley教授（高壓專家、美國院士）以及其他理論學(xué)者開展合作，利用第一性原理計算方法，在2015年摻雜H₃S的工作基礎(chǔ)上進一步系統(tǒng)地研究了碳和硅摻雜對H₃S超導(dǎo)電性的影響，并初步理解了該材料發(fā)生室溫超導(dǎo)現(xiàn)象的原因，認可近期實驗合成的室溫超導(dǎo)材料可能就是2015年姚裕貴等理論上所預(yù)言的摻雜材料，該工作發(fā)表在Materials Today Physics 15, 100330 (2020)。

自1911年發(fā)現(xiàn)汞的零電阻現(xiàn)象開始，室溫超導(dǎo)一直是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域追求的圣杯。在BCS超導(dǎo)理論中，晶格振動會導(dǎo)致電子間出現(xiàn)有效吸引作用，最終使得費米面處的電子通過電聲耦合形成庫伯對，從而產(chǎn)生具有零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)電性，超導(dǎo)性一般僅能在低溫發(fā)生。物理學(xué)家Neil Ashcroft 曾預(yù)言超高壓強下金屬氫中質(zhì)量輕和半徑小的氫原子可以增強電聲耦合并實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，但實驗上一直沒有實現(xiàn)！隨后人們提出富氫化合物有可能在高壓條件下更容易實現(xiàn)超導(dǎo)電性。沿著該思路，隨著第一性原理計算模擬預(yù)測和鉆石對頂砧實驗技術(shù)的廣泛應(yīng)用，富氫化合物相關(guān)研究取得了突破性進展并發(fā)現(xiàn)了大量高壓超導(dǎo)材料，例如CaH₆、GeH₄、MgH₆、YH₆、SiH₄、SiH₄(H₂)₂等。在這一系列激烈競賽中，國內(nèi)科研人員作出了眾多重要的研究成果。2014年吉林大學(xué)馬琰銘課題組和崔田課題組理論預(yù)測了高壓硫氫化合物的超導(dǎo)電性，次年德國實驗組在該體系中首次發(fā)現(xiàn)高于200 K的超導(dǎo)現(xiàn)象。2015年，北京理工大學(xué)姚裕貴課題組首先理論指出摻雜的H₃S在250 GPa下完全可以實現(xiàn)280 K即室溫超導(dǎo)的目標[Phys. Rev. B 93, 224513 (2016)]。同年《自然》雜志撰寫新聞介紹超導(dǎo)領(lǐng)域首個重要成果時，重點敘述了該理論預(yù)測工作，見[Nature 524, 277 (2015)]。隨后，2019年理論預(yù)測和實驗結(jié)合發(fā)現(xiàn)籠型富氫化物L(fēng)aH₁₀，再次將相變溫度推高至260 K，其中物理所趙忠賢課題組在高壓LaH₁₀實驗上也取得重要研究成果。2020年10月，羅徹斯特大學(xué)Ranga P. Dias課題組實驗發(fā)現(xiàn)H-S-C化合物在267 GPa下的相變溫度達到288 K，由此開啟了室溫超導(dǎo)時代 [Nature 586, 373 (2020)]。但是，尚未確定的晶體結(jié)構(gòu)以及合適的理論分析仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。而事實上，早在2015年北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴課題組已經(jīng)利用第一性原理計算證實Im-3m相H₃S經(jīng)過適當?shù)目昭〒诫s（例如磷少量替換硫原子，并指出硅（碳也類似）替換同樣有效）可以非常有效的提高費米能級處的電子態(tài)密度（DOS）進而增強電聲耦合作用，并能實現(xiàn)280 K的高溫超導(dǎo) [Phys. Rev. B 93, 224513 (2016)]。

圖1 (a)(b) Im-3m相H₃S的能帶結(jié)構(gòu)和DOS：H₃S@220GPa (黑線)，H₃S_0.960C_0.040@220GPa (紅色實線)，H₃S_0.960C_0.040@240GPa (紅色虛線)。(c)聲子色散譜和Eliashberg譜函數(shù)：H₃S_0.960C_0.040@250GPa (紅線)，H₃S_0.960C_0.040@280GPa (藍線)。

該系列研究工作發(fā)現(xiàn)范霍夫奇點使H₃S在費米能級附近具有很高DOS，非常有利于BCS超導(dǎo)電性的出現(xiàn)。而低濃度的空穴摻雜使費米能級更加靠近DOS峰值位置，并且適當加壓還可以進一步提高DOS [圖1(b)]。通過詳細的電聲耦合分析發(fā)現(xiàn)氫原子振動與電子之間具有很強的耦合作用，如圖1(c)中H-S鍵stretching模式聲子的較大線寬所示。

圖2 (a) H₃S_1-xZ_x@250GPa (Z=""C,"" Si)的DOS和電聲耦合常數(shù)。(b) H₃S_0.960Z_0.040的DOS、電聲耦合常數(shù)和超導(dǎo)相變溫度。(c)超導(dǎo)相變溫度分布圖。

在250 GPa下隨著碳或硅的摻雜濃度增加，當濃度為4%時費米能級處出現(xiàn)DOS極值 [圖2(a)]。并且低摻雜濃度下幾乎不變的聲子頻率導(dǎo)致電聲耦合常數(shù)和DOS同步變化 [圖2(a)]。在200~280 GPa的壓強范圍內(nèi)，費米能級處DOS隨壓強先升高后下降。同時，H-S鍵stretching模式聲子和bending模式的高頻聲子出現(xiàn)硬化，而H-S鍵bending模式的低頻聲子發(fā)生軟化 [圖1(c)]。結(jié)合空穴摻雜和壓強作用，作者發(fā)現(xiàn)260 GPa高壓下碳摻雜3.8%的H₃S可以實現(xiàn)289 K的室溫超導(dǎo) [圖2(c)]。此外，在200~240 GPa內(nèi)硅摻雜對超導(dǎo)電性的提升效果更加明顯。

總之，研究結(jié)果顯示摻雜調(diào)控機制可以進一步提高H₃S的超導(dǎo)電性甚至可能達到室溫超導(dǎo)，而且不限于碳、硅、磷元素。該系列工作表明摻雜是高壓富氫化合物相關(guān)實驗尋找室溫超導(dǎo)的一條有效途徑，正在推動相關(guān)研究的進一步發(fā)展。

北理工2016屆博士生蓋彥峰為論文的第一作者。該系列研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2020YFA0308800），國家自然科學(xué)基金（11734003，11904312）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃（XDB30000000）的支持。

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100330.

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