物质学院齐彦鹏团队创造过渡金属硼化物超导温度新纪录

发布时间2023-03-28文章来源 物质科学与技术学院作者责任编辑刘玥

近期,澳门新莆京3787物质科学与技术学院齐彦鹏课题组与中国人民大学刘凯教授雷和畅教授合作,利用高压技术在二硼化钼MoB2,一种过渡金属硼化物)中发现了转变温度高达32 K的超导电性,这是硼化物中超导临界转变温度Tc仅次于MgB2的超导体,也是过渡族金属硼化物中Tc最高的体系该成果以Pressure-induced Superconductivity at 32 K in MoB2” 为题,发表在国际知名学术期刊《国家科学评论》(National Science Review上。

科学家对于高的超导临界转变温度(Tc)的追求永无止境。根据经典的BCS 理论当材料含有轻元素时,容易产生高的德拜温度(θD,从而可能获得更高Tc的超导电性。硼(B元素周期表第五号元素,一种典型的轻元素,含硼化合物是实现高Tc超导体的理想体系。硼化物超导体的探索由来已久,2001 年日本科学家秋光纯发现超导电性高达39 K MgB2 后,更是掀起了硼化物尤其是金属二硼化物超导体的研究热潮。随后,科学家们合成出了超过100种与MgB2 的金属二硼化物遗憾的是大部分样品都不具有超导电性,即使能实现超导Tc也远低于经典的MgB2


1. (a) MoB2结构示意图。(b) MoB2高压原位同步辐射XRD(c) MoB2高压变温电阻曲线。(d) MoB2高压下1.8-60 K温区的变温电阻曲线。

 

针对上述问题,联合团队利用金刚石对顶压砧(DAC)对金属硼化物金属二硼化物MoB2的高压结构及物性进行了深入的研究利用上海同步辐射光源对MoB2高压原位结构探究的结果显示当压力增加到65 GPa, MoB2β-结构相变为α-结构(图1b),高压下焓值计算也与实验结果吻合,证明MoB2高压下发生结构相变。进一步的高压原位电输运研究显示,MoB221 GPa开始出现超导,Tc随压力迅速升高。当压力超过70 GPa后,Tc随压力的增加趋势变缓,当压力达到110 GPa, 超导转变温度超过32 K,且仍未饱和(图1c1d)。


2. (a) MoB2电子能带结构。(b) MoB2电子态密度。(c) MoB2声子散射图。(d) MoB2声子态密度和电声耦合谱函数α2F(ω)(e) MoB2 H点(c图)低频声学支原子位移。(f) MgB2常压B-B面内声子振动。

 

高压下MoB2与经典的MgB2不仅结构相同,超导转变温度相对较高然而第一性原理计算结果表明MoB2高压相的超导电性虽然可以用电-声耦合的理论进行解释,但与经典的MgB2却有很大差异。一是电子结构明显不同,与MgB2迥异的是α-MoB2中,过渡金属Mo原子的d轨道电子在费米面的电子态密度远高于B原子(图2a2b)。二是声子模式对电-声耦合的贡献有很大差异,与MgB2高频声子起主要贡献不同α-MoB2来自Mo原子的低频声子占主导(图2c2d)。总之,α-MoB2kz方向有很大的能带散射,费米面呈现三维特征,Mo原子面外振动声子与费米面附近的Mod电子发生强的电-声耦合,共同带来MoB2中的高Tc超导电性(图2e2f)。

 齐彦鹏课题组一直致力于高压原位测量方面研究,利用自主开发的高压技术对功能材料实现量子调控,在拓扑材料Pt2HgSe3 (npj Quantum Mater., 2021, 6, 98), LaAlSi, (Phys. Rev. B., 2022, 105, 174502), 准一维材料(NbSe4)2I (Mater. Today Phys., 2021, 21, 100509), Bi4I4 (npj Quantum Mater., 2018, 3, 4), Kagome材料CsV3Sb5 (Adv. Mater., 2021, 33, 2102813)笼状材料IrAs3, IrP3 (J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 6208), BaIr2Ge7, Ba3Ir4Ge16 (Matter Radiat. Extremes, 2022, 7, 038404), 层状材料NaSnAs (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216086)等材料体系中实现了压力诱导的超导电性。本次MoB2发现Tc超过30 K的超导电性,是高压量子调控的又一重要进展;更重要的是,本项工作指出在设计富含轻元素高温超导体时,不仅要考虑轻元素形成的框架,同时也可选择合适的金属,充分发挥较局域的d电子对高温超导电性的贡献作用,这为探索轻元素高温超导体带来了新思路

齐彦鹏课题组助理研究员裴翠颖王琦中国人民大学张建丰博士为该论文的共同第一作者。澳门新莆京3787助理教授齐彦鹏中国人民大学刘凯教授和雷和畅教授为共同通讯作者。澳门新莆京3787为第一完成单位。

论文标题:Pressure-induced Superconductivity at 32 K in MoB2

文章链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwad034