Natl. Sci. Rev.: 铝原子掺杂成功稳定了超导温度高达223 K的亚稳六角相镧氢化物

2023-05-04 17:05

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新型高温超导相一直是超导领域的研究焦点和目标。目前实验上已经获得了几种具有高温超导性的氢化物，但是实验制备Tc>200K的高温超导材料仍然极具挑战性。亚稳相通常具有优越的性质，新型亚稳相的发现是物理和材料科学领域获得创新性成果的重要途径。在超导研究领域中，亚稳相是提高Tc或降低稳定压力的重要候选体系。以高压原位实验技术为核心，截获超导性质优异的亚稳富氢化合物是目前存在的关键科学问题。

近日，宁波大学崔田教授和吉林大学黄晓丽教授等人，在高压超导富氢化合物研究方面取得突破性进展。研究成果以“High-temperature superconductivity up to 223 K in the Al stabilized metastable hexagonal lanthanum superhydride”为题，于近期发表在National Science Review杂志上。

课题组在通过引入适当含量的Al，成功将理论预测在420GPa以上才能稳定的P6₃/mmc-LaH₁₀稳定至146 GPa，其超导转变温度最高可达223 K，这是通过适当元素掺杂方法获得具有优异超导性的亚稳相的一次成功尝试。此项工作对三元及多元超导富氢化合物的研究有着重要的参考意义，同时为获得具有优异超导性质的亚稳态高温超导氢化物提供了一种新策略。

图一：原位高压电学测量实验图。(a) 四探针超导电阻测量装置图， (b)激光加热前后，#1和#2的样品腔照片，(c)不同压力下，La-Al-H样品的电阻随温度的变化关系。

课题组为了研究La-Al-H体系在高压下的潜在超导性，通过磁控溅射沉积制备了一系列La–Al合金，并开展了针对La-Al-H体系的超导电性实验研究。在对初始La-Al合金比例为0.8:0.2的样品的原位高压电学测量中发现了两个超导相，高T_c相为~178 K，低T_c相则为~55 K。此外，在cell#1内，通过在选定的温度范围内测量作为外部磁场μ₀H_c函数的等温电阻，进一步验证了这两个超导相的存在。在高达32 T的强磁场下，给出了La-Al-H样品的上临界磁场[H_c₂(0)]的测量结果。通过WHH模型拟合发现高T_c (低T_c )相的上临界磁场高达 223 T (68 T)。高T_c相的临界磁场远高于目前实验上已经合成的其他高温超导体的临界磁场。

图二： La-Al-H样品在不同温度下电阻随磁场的变化关系。在146 GPa时，(a) 高T_c相和(b) 低T_c相在不同温度下的电阻随磁场的变化关系，(c)利用WHH方程，GL方程和线性拟合得到的#1样品的上临界磁场。

高压下原位同步辐射XRD测量帮助我们确定了两个超导相的晶体结构分别是：P6₃/mmc-(La, Al)H₁₀和I4/mmm-(La, Al)H₄。有趣的是，在立方结构富氢化合物家族之外，这种具有六方对称性的新型镧超氢化物的T_c也超过了200 K。另外，与二元LaH₁₀相比，P6₃/mmc-(La, Al)H₁₀体积有微小的增大，表明Al原子可能填充到La-H晶格的间隙中，而不是形成传统的三元合金超氢化物。

图三：La-Al-H样品的高压XRD实验研究。(a) 156 GPa时，#2样品XRD的Le Bail精修结果，(b)146GPa，#1样品XRD的Le Bail精修结果，(c)La-Al-H体系的晶体结构示意图。绿色、红色和蓝色球分别代表La、H和Al原子，(d)La-Al-H样品体积随压力的变化关系。其中实心圆点为实验所得数据。插图是#2样品的数据的部分放大视图。

进一步分析两个超导相的T_c随压力的变化趋势。实验结果显示：随着压力的增加，P6₃/mmc-(La, Al)H₁₀的T_c首先增加，在164 GPa时T_c达到最大值223 K，之后随着压力的继续增加T_c几乎不变。此外，(La, Al)H₁₀和LaH₁₀之间的不同趋势进一步证实了Al原子的引入确实会影响T_c。对于I4/mmm-(La, Al)H₄，它的T_c随着压力的增加而非常缓慢的下降。在#3样品和#4样品中，I4/mmm-(La, Al)H₄的T_c有约10 K的微小差异，推测可能是由于不同的合成条件和Al引入水平引起的。