金属氢超导功能新发现

Wigner等在上世纪30年代曾理论预言，通过足够大的压缩，可以把氢从常压气态转化为像碱金属那样的固体金属、即”金属氢”。由于氢的德拜温度很高，基于BCS电声耦合，Ashcroft理论预测金属氢可能具有高温超导性质。理论最新估算氢的金属化约需500GPa的极端静高压（1GPa~1万大气压），超过目前实验室所能达到的静高压技术水平，纯氢金属化任重道远。1970年代，中国科学院物理研究所徐济安等人提出，通过富氢化合物引入化学内压降低氢金属化压力的构想(物理 6，296(1977))。2004年，Ashcroft进一步理论阐明富氢化合物可降低氢金属化所需压强，同时仍保留以氢为主的高温超导属性。这些理论设想和预测进一步得到吉林大学团队的拓展，近年来，国际上相继实验合成富氢化物并通过高压物性表征观察到高温超导现象。

图1：金刚石压砧高压腔体样品和电极分布示意图。

高压极端条件可以创造常压难以形成的新结构，赋予材料新的功能特性，为实现和拓展满足特殊需求的新材料提供独特机遇。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心靳常青团队长期开展极端条件先进技术的拓展和新材料的创制。他们近期相继独立实验制备发现210K以上的钙基富氢超导材料 (Nature Communications 13, 2863(2022))、首个4d锆基富氢高温超导材料 (Science Bulletin 67, 907(2022))、首个5d铪基富氢高温超导材料 (Material Today Physics 27, 100826(2022))、镥基富氢超导材料 (Science China: Physics Mechanics & Astronomy 66, 267411(2023))、钽基富氢超导材料(Chin. Phys. Lett. 40, 57404 (2023)(Express Letters))和铌基富氢超导材料 (Mater Today Phys 40, 101298 (2024))。

图2：锑基富氢超导体高压在位电学表征显示116K超导转变。

目前实验报道的二元富氢超导材料集中在稀土、碱土和过渡族金属等电负性较小的元素所形成的化合物上，它们与氢形成离子结合，在氢的反健轨道填充电子从而实现氢的金属化。主族非金属元素具有较大的电负性，通常与氢以共价键相结合，合成制备难度很大。由于制备条件苛刻，成相难，共价键结合的二元富氢高温超导材料的实验报导很少。靳常青研究员指导博士生卢可等人近期在主族非金属元素氢化物新材料的超高压制备和超导研究上取得进展，首次实验合成并发现转变温度高达116K的锑基富氢超导体，这是目前实验报导的转变温度次高的主族富氢超导体。团队运用自行研发集成的超高压合成和在位表征先进实验技术，在184GPa高压和2000K的高温成功制备了锑基富氢化合物。

图3：锑基富氢超导转变随外加磁场的演化。

高压在位电学表征揭示锑基富氢化物的电阻在116K时发生突降，并在低温降至零电阻，表现高温超导转变。随着磁场的增加，转变温度而逐渐向低温移动，确认超导转变属性。结合同步辐射结构表征和锑基富氢化物的理论计算，认为高温超导来源于以Sb～H共价键主导的六方相SbH4。对于六方相SbH4晶体，H～H形成三维导电网络，导电网的H～H最小间距为1.73Å。本研究表明对于较大的H～H距离，氢原子之间仍可以借助和非金属元素的轨道杂化实现金属化并进一步呈现高于100K的高温超导，为探索低压制备富氢化合物超导材料提供新的线索。

相关研究成果发表在National Science Review 11, nwad241 (2024)上，博士研究生卢可为第一作者，靳常青研究员和望贤成研究员为共同通讯作者，高压结构表征得到德国歌德大学Winkeler教授团队的密切合作。研究工作得到基金委、科技部和中国科学院项目的资助。