超高压超导材料研究领域取得新突破中国科学报

6月16日，记者从宁波大学获悉，该校崔田教授、黄艳萍副教授团队联合上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员团队，在超高压超导材料研究领域取得重要突破。该团队在相当于地球内核数倍的超高压环境下，发现了一种名叫三硫化钽的材料能接连“变身”出三种不同的超导状态，最高超导转变温度达到零下255.75摄氏度，刷新了同类材料的纪录。相关成果近日发表在国际期刊《美国化学会志》上。

什么是超导？简单来说，就是某些材料在温度降到足够低的时候，电阻会突然“消失”，电流可以毫无损耗地通过。如果能找到在更高温度下就能实现超导的材料，就意味着输电线可以零损耗送电，磁悬浮列车可以更高效运行，医院核磁共振设备也可以更便宜。正因如此，寻找更高温度的超导体一直是全球物理学家的终极目标之一。在三硫化钽这类被称为“准一维”的奇特材料中，电子只能在一条条“窄道”里跑，就像高速公路上的单行道。这类材料虽然充满了有趣的物理现象，但电子“挤”在窄道里，很难形成稳定的超导状态，所以此前这类材料的超导温度一直卡在零下263摄氏度以下，多年难以突破。理论计算早就预言，三硫化钽在高压下有可能“解锁”更高的超导温度，但一直没有人在实验中亲眼见证。

为了验证这一预言，研究团队把三硫化钽样品放进了金刚石对顶砧——这是一种能产生极端高压的装置，原理就像把一头大象的重量集中压在指甲盖大小的面积上。研究人员从约6万个大气压开始一路加压，一直加到惊人的210万个大气压，同时借助同步辐射X射线衍射透视材料内部结构，并结合电磁输运测量追踪电阻变化。

实验中上演了一出精彩的“变形记”：当压力加到约6万个大气压时，材料中的电荷密度波——可以理解为电子集体列队形成的一种有序排列——被压制下去，超导电性首次“登场”，被称为SC-I相。继续加压后，在约29万个大气压附近，超导忽然消失，再继续加压又回来了，形成第二个超导相SC-II。最精彩的转折发生在约89万个大气压处：材料内部悄悄发生了一次隐身的结构相变——从外面看晶体形状没变，但内部的原子排列已经重组。随之而来的是第三个超导相SC-III的诞生，超导温度一下子跃升到零下263.05摄氏度。当压力继续攀升到210万个大气压时，超导温度攀升至零下255.75摄氏度，直接刷新了同类材料的最高纪录。更让团队兴奋的是，在这个压力下超导温度还在往上走，完全没有见顶的迹象，暗示着在更高压力下还有可能创造新纪录。

“打个比方，高压就像一双无形的大手，把材料内部原本‘胖胖的’三角棱柱慢慢‘压扁’，让原子的排列从三条‘车道’并排变成了一条更高效的‘快车道’。”研究人员形象地解释道。正是这种结构上的“瘦身”，让钽原子的电子和硫原子的电子靠得更近，合作更加紧密，电流通过时几乎没有阻力。同时，压力还把电子的“运动轨道”调整得更整齐，电子和晶格振动之间的互动变得更频繁，进一步放大了超导效应。这些变化叠加在一起，就像多米诺骨牌一样，最终推高了超导转变温度。 该研究为通过高压调控手段提升低维量子材料超导性能建立了一种新方法，为开发更高温度的准一维超导体提供了切实可行的技术路径。“这项研究的价值不只是破了一项纪录，更重要的是我们第一次完整地画出了这种材料在超高压下的超导地图，看清楚了它在不同压力下会怎样‘变身’。”研究团队负责人表示，该研究不仅帮助科学家更好地理解了低维材料中电荷有序排列与超导之间的微妙关系，也为今后设计新型量子功能材料提供了宝贵的路线图。