近期,高壓下發(fā)現(xiàn)的系列富氫化合物高溫超導體刷新了超導材料臨界溫度(Tc)的最高紀錄,開辟了高溫超導研究的新方向,成為目前凝聚態(tài)物理領域的研究前沿熱點。目前,已合成的氫化物高溫超導體主要分為兩大類,即以SH3為代表的共價鍵型氫化物和以LaH10為代表的氫籠型化合物(其中氫原子以共價鍵形成籠型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)),而被廣泛研究的分子型氫化物由于H2分子單元對費米面附近態(tài)密度貢獻很小,尚未發(fā)現(xiàn)高溫超導電性。
最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的程金光研究員團隊在分子型氫化物高溫超導體的超高壓合成與高溫超導研究方面取得新進展。他們利用自主搭建的原位高溫高壓激光加熱系統(tǒng)和高壓低溫電輸運測試系統(tǒng),選取Bi-H作為研究體系,以氨硼烷和金屬鉍作為原料,經(jīng)過大量實驗探索,在170-180 GPa、~2000K的高壓高溫條件下合成了一種新型的鉍氫化合物。他們通過原位高壓下的同步輻射X射線衍射結(jié)合CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索技術,確定該化合物為具有C2/c空間群的BiH4,其中氫原子以H2分子單元形式存在,最短的H-H鍵長~0.81?。原位高壓電學測量結(jié)果表明,BiH4在170GPa下的Tc高達91K,創(chuàng)造了分子型氫化物超導體的Tc最高紀錄。不同于SH3和LaH10等共價及籠型氫化物超導體,理論計算發(fā)現(xiàn)BiH4中的高溫超導電性主要歸因于H2分子的中頻振動和Bi原子的低頻振動。本工作中首次合成和發(fā)現(xiàn)的BiH4高溫超導體,不僅刷新了分子型氫化物超導體的Tc紀錄,也為設計合成更多樣的氫化物高溫超導體提供了新思路。
相關研究成果以“Molecular Hydride Superconductor BiH4?with?Tc?up to 91K at 170GPa”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 147, 4375 (2025)?,且入選當期Supplementary Cover, 物理所博士生單鵬飛(現(xiàn)為北京高壓科學中心博士后)、北京高壓科學研究中心博士后楊欣為論文共同一作,鄭州大學馬良副研究員為共同一作及共同通訊作者,物理所程金光研究員為論文共同通訊作者。物理所王鉑森研究員、孫建平副研究員、楊芃燾副主任工程師、劉子儀副研究員、趙忠賢院士、鄭州大學郭海中教授、北京高壓科學研究中心緱慧陽研究員、丁陽研究員、林傳龍研究員等共同參與本工作。該工作使用了上海光源(SSRF)、北京光源(BSRF)、日本Spring-8同步輻射光源、綜合極端條件實驗裝置(SECUF)和武漢國家脈沖強磁場裝置(WHMFC)等大科學設施并得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略先導等項目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/jacs.4c15137

圖. 分子型氫化物BiH4的結(jié)構(gòu)、超導轉(zhuǎn)變等物性的示意圖。