進展丨鈦刷新元素超導紀錄

分類：行業新聞
作者：張博
來源：中科院物理所
發布時間：2022-11-17

【概要描述】

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金屬鈦是高技術領域的重要原材料，由于它質量輕密度小、機械強度高，以及耐腐蝕等優異性能，在太空、大洋、深地等極端環境具有廣泛甚至不可替代的應用價值。如今，單質鈦金屬在高壓展現出新的突出性能，在已知元素超導體中呈現T_c 26 K以上的超導轉變最高溫度。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室靳常青團隊長期開展高壓極端條件新材料制備及功能調控研究，設計研發具有自主知識產權的高壓、低溫、強場和激光加熱的聯合實驗裝置，可進行超高壓高溫合成和在位物性聯合表征研究。運用以上先進的極端條件技術，他們相繼揭示了系列功能材料在極端條件的新奇構效關聯，包括關聯、拓撲、聚合物等新興功能材料體系 (PNAS 105, 7115(2008)；JACS 132, 4876(2010)；PNAS 108, 24(2011); JACS 133, 7892(2011)；PNAS 110, 17263(2013); Nature Commun. 5, 3731(2014); Adv. Mater. 29, 1700715(2017); Angew. Chem. Int. Ed. 56, 1(2017); NPG Asia Mater. 11, 60(2019))。他們近期運用高壓合成技術，實驗發現了首個4d過渡金屬富氫高溫超導材料T_c 71K的鋯基超導體（Sci. Bull. 67, 907 (2022)），實驗發現了首個5d過渡金屬富氫高溫超導材料T_c 83K的鉿基超導體(Mater Today Phys 27, 100826(2022))；他們獨立發現了210K以上的鈣基富氫高溫超導體（Nature Commun. 13, 2863 (2022)），成為繼硫氫、稀土氫化物又1個T_c超過200K的2元高溫超導材料，進一步拓展了高溫超導材料的范疇。

圖1 鈦金屬（a）248 GPa壓力具有T_c~26.2 K的元素超導座高超導轉變溫度，（b）導電性隨壓力和隨溫度的演化，（c）在310GPa范圍高壓超導相圖。

靳常青、望賢成團隊近期在元素超導研究上取得新進展，實驗發現了金屬鈦在高壓具有轉變溫度T_c>26 K的超導，刷新了元素超導最高轉變溫度記錄 (圖1a)。高壓在位電學實驗表征揭示：隨著壓力增加，鈦的T_c從2 K @18 GPa逐漸增加到~10 K @99 GPa；在~108 GPa壓力附近，T_c快速上升至~20 K；隨后T_c隨壓力緩慢增加，在248 GPa鈦的超導溫度達到最高值 26.2 K；隨著壓力進一步增加，超導T_c略有下降（圖1b）。圖1c為金屬鈦的高壓超導詳細相圖，涵蓋常壓至310GPa (1GPa ~1萬壓力)范圍，本實驗達到的310萬壓力是迄今報導所有已知材料可具有和保持超導特性的最高壓力。根據超導轉變隨外加磁場的變化，估算26 K 鈦金屬的超導相的上臨界場μ₀H_c2(0)約為30 Tesla，對應Ginzburg Landau超導相干長度為32 Å（圖2 a、b）。

圖2 鈦金屬在248 GPa壓力（a）超導轉變隨外加磁場變化，（b）估算的相應上臨界場。

美國內達華大學Changfeng Chen教授團隊理論計算表明，隨著壓力增大，費米能級附近與3d軌道重疊的4s軌道能級進一步上移，導致電子逐漸從4s軌道向3d軌道轉移；在180 GPa壓力以上，費米能級附近能帶主要由3d電子占據（圖3），這表明高壓下金屬鈦的高溫超導與具有電子關聯屬性的3d電子密切相關。與美國APS團隊及北京高壓科技中心科劉浩哲研究員團隊合作，通過高壓同步輻射X光衍射進一步揭示金屬鈦在高壓發生系列晶體結構相變，即具有六方密堆結構的Tiα相（0～9 GPa）、六方結構Tiω相（9～116 GPa）、畸變的六方密堆結構Tiγ相（116～140 GPa）、畸變的體心立方結構Tiδ相（140～243 GPa）、簡單體心立方結構Tiβ相（>243 GPa）。這些相具有相同或者比較接近的配位構型，結合化學預壓設計有可能實現高壓超導相在近常規條件以亞穩相的形式再現，亞穩超導相常壓截獲已有先例。早在1965年Matthias和Geballe等發現Nb₃Ge具有17K的超導溫度，1973年Nb₃Ge常壓薄膜亞穩相的超導溫度提升至23K的當時已知超導材料最高記錄，這個最高溫度記錄一直保持到1986年銅基高溫超導的發現?；赥i金屬高壓亞穩相的特點，結合薄膜應力和快冷等技術，有可能在常壓條件再現高溫超導相的結構。倘若能夠實現薄膜亞穩相超導，基于約瑟夫森效應，Ti單質26K高溫超導將在量子電路設計構筑上具有重要應用前景。NbTi合金是目前廣泛應用的合金超導材料(占低溫超導材料強電應用90%以上)，但它的超導溫度只有10K左右，上臨界場約為15Tesla。相較NbTi合金超導材料，鈦元素超導體的超導溫度和上臨界場都翻了1番，在極端使役條件和強電領域具有潛在應用前景。