自從1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來,室溫超導(dǎo)一直是人們孜孜以求的目標(biāo)。然而,基于電-聲耦合機(jī)制的常規(guī)超導(dǎo)體,其超導(dǎo)臨界溫度(Tc)通常很難超過麥克米蘭極限~40K。上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體為實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)帶來了希望,但經(jīng)過30多年的研究,最高Tc(常壓下~134K,高壓下~164K)很難進(jìn)一步提高,而且非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理至今仍懸而未決。另一方面,根據(jù)BCS理論,人們預(yù)期如果在高壓下獲得金屬氫或高度富氫材料可能會實(shí)現(xiàn)高溫甚至室溫超導(dǎo)。按照這種思路,近年來人們在理論設(shè)計和實(shí)驗(yàn)合成富氫高溫超導(dǎo)體方面取得了重要進(jìn)展,尤其是2014年發(fā)現(xiàn)硫化氫在高壓條件下呈現(xiàn)出Tc = 203 K的高溫超導(dǎo)電性,打破了之前銅氧化物高溫超導(dǎo)體保持的紀(jì)錄,極大地激發(fā)了人們探索室溫超導(dǎo)的熱情。2019年,來自德國和美國的兩個研究小組,分別獨(dú)立報道了超高壓下合成的籠型富氫材料LaH10+δ具有Tc = 250-260 K的近室溫超導(dǎo),在國際上吸引了廣泛關(guān)注。然而,由于LaH10+δ及相關(guān)富氫超導(dǎo)材料的研究涉及兆巴(百萬大氣壓)超高壓條件下的原位高溫合成和低溫電輸運(yùn)測量,對高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出較高的要求。
最近,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX6課題組的洪芳副研究員、于曉輝副研究員、程金光研究員和超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的趙忠賢院士與北京高壓科學(xué)中心楊留響研究員通力合作,克服各種高壓技術(shù)難點(diǎn),通過在70微米的金剛石對頂砧臺面上手工布置標(biāo)準(zhǔn)四電極引線,采用氨硼烷作為氫源,利用激光加熱使其分解產(chǎn)生氫氣并與放置在金剛石對頂砧壓腔內(nèi)的La金屬薄片反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)激光加熱溫度,在165GPa,1700 K加熱得到了Tc≈240-250K的LaH10+δ。通過不同磁場下的電阻測試,進(jìn)一步確認(rèn)LaH10+δ的高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變(圖1)。
該工作不僅成功重復(fù)出了之前德國和美國研究組發(fā)現(xiàn)的LaH10+δ高溫超導(dǎo)體,而且還發(fā)展了利用金剛石對頂砧開展兆巴高壓下的原位激光加熱與標(biāo)準(zhǔn)四電極電阻測試技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)路線相對簡單、易于推廣,有助于推動超高壓下富氫高溫超導(dǎo)材料的探索研究。
相關(guān)成果近期發(fā)表在Chinese Physics Letters 37, 107401 (2020)。參與該工作的還有物理所EX6課題組的單鵬飛、楊芃燾、劉子儀、孫建平、殷云宇。相關(guān)實(shí)驗(yàn)使用了在建的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目—綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的部分高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該工作還得到了中科院B類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的支持。

? ? ? 圖1. 左圖為激光加熱前后的樣品和電極對比圖,右圖為升降溫過程測試的電阻數(shù)據(jù)顯示出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變;插圖為不同磁場下的電阻數(shù)據(jù),顯示超導(dǎo)轉(zhuǎn)變隨磁場增加而逐漸向低溫移動。