上科大齐彦鹏团队通过压力诱导MoB2获得高达32 K的超导电性 | NSR

2023-05-29 03:05

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近期，上海科技大学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及雷和畅教授合作，利用高压技术在MoB2中发现了转变温度高达32 K的超导电性，这是硼化物中Tc仅次于MgB2的超导体，这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National Science Review上。

科学家对于高的超导临界转变温度（T_c）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（θ_D），从而有可能获得更高临界转变温度的超导电性。硼（B）是元素周期表第五号元素，是一种典型的轻元素，因此，含硼元素的化合物是实现高T_c超导体的理想体系。事实上，硼化物超导体的探索由来已久，特别是2001 年日本科学家秋光纯教授在MgB₂ 中发现了高达39 K 的超导电性，掀起了探索硼化物尤其是金属二硼化物超导体的研究热潮。随后，超过100种与MgB₂ 同构的金属二硼化物被合成出来，但是遗憾的是大部分样品都不具有超导电性，即使超导的硼化物其T_c也远低于经典的MgB₂。

针对上述问题，齐彦鹏-刘凯-雷和畅联合团队利用金刚石对顶压砧（DAC）对金属硼化物进行高压探索。本项工作中，联合团队对金属二硼化物MoB₂的高压结构及物性进行了深入的研究。首先，利用上海同步辐射光源对MoB₂高压原位结构进行研究，结果显示当压力增加到65 GPa时, MoB₂由β-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，进一步证明MoB₂高压下发生结构相变。考虑到MoB₂高压结构与经典的MgB₂结构相同，研究团队进行了高压原位电输运研究。MoB₂在21 GPa开始出现超导，并且T_c随压力迅速升高。当压力超过70 GPa后，T_c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1c，1d）。

图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。

高压下MoB₂与经典的MgB₂不仅结构相同，而且都具有相对较高的超导转变温度，研究团队利用第一性原理计算，对MoB₂超导机理进行研究。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。首先，电子结构明显不同。MgB₂中蜂窝结构的B原子p轨道电子在费米面起到主要贡献，而金属Mg的贡献几乎可以忽略不计，但在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2a，2b）。其次，声子模式对电-声耦合的贡献有很大差异。MgB₂中与蜂窝结构的B原子层相关的高频声子起主要贡献，而在α-MoB₂中则是来自Mo原子的低频声子占主导（图2c，2d）。总之，α-MoB₂在k_z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Mo的d电子发生强的电-声耦合，实现了MoB₂中的高T_c超导电性（图2e，2f）。