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元素超导体的温度纪录被打破

时间:2024-05-21 来源:医用氧
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  超导电性是一种物质在极低温下出现的一种奇特的现象,它可以让电流无阻力地流过物质。这种现象很有用,比如可拿来制造强大的磁体,或者实现量子计算等高科技应用。但是,超导电性的出现条件非常苛刻,通常要将物质冷却到极低的温度,这样才可以让电子之间形成一种叫做库珀对的特殊状态,从而克服晶格振动的干扰,实现无阻力的电流。

  那么,有没有可能让超导电性在更高的温度下出现呢?这是物理学家们长期追求的一个梦想,因为若能够实现这一点,那么超导电性的应用就会大幅度提升,而且也会揭示出更深刻的物理原理。事实上,自从1911年超导电性被发现以来,物理学家们就一直在努力提高超导电性的临界温度(Tc),也就是超导电性出现的最高温度。

  目前,已经发现了一些具有较高Tc的超导材料,比如铜氧化物和铁基超导体,它们有些可以在液氮的沸点(77 K)以上保持超导电性。但是,这些材料的结构都很复杂,而且超导电性的机制还不是很清楚,所以对于理论的发展和实验的控制都有一定的困难。

  那么,如果我们只用一种元素,而不是多种元素的复合物,能不能够实现高温超导电性呢?这是一个非常有意思的问题,因为单一元素的超导电性更容易理解和分析,而且也更能体现出超导电性的本质。但是,单一元素的超导电性的Tc一般都很低,比如最高的是铌,只有9.2 K。这是因为单一元素的电子结构最简单,电子-声子耦合比较弱,所以很难形成稳定的库珀对。那么,有没什么办法能改变单一元素的电子结构,从而增强电子-声子耦合,提高Tc呢?答案是有的,那就是高压。

  高压是一种非常强大的手段,它能改变物质的原子间距,从而改变物质的电子结构,甚至引发物质的相变,产生一些新的结构和性质。高压对于超导电性的影响也非常显著,它可以使一些本来不是超导体的元素变成超导体,也可以使一些本来是超导体的元素的Tc发生明显的变化:有的升高,有的降低,甚至有的出现非单调的变化。高压下的超导电性是一个非常活跃的研究领域,已经有很多有趣的发现和理论,比如氢化物的高温超导电性,以及超导电性的相图等等。

  最近,我国的一篇论文报道了一个非常令人惊讶的结果,那就是在高压下,钪这种元素的超导电性的Tc能够达到30 K以上,这是迄今为止已知的单一元素的超导电性的最高Tc,还可以和一些复杂的超导材料相媲美。这篇论文的作者使用了金刚石对顶砧这种装置,可以产生高达283 GPa的压力,然后用电阻和磁化率这两种方法来测量钪的超导电性的Tc。

  他们发现,随着压力的增加,钪的Tc从43 GPa时的3 K,逐渐升高到283 GPa时的32 K,而且没再次出现饱和的迹象,说明如果压力再增加,Tc可能还会继续升高。这是一个非常惊人的发现,因为它打破了单一元素的超导电性的Tc的上限,而且也提出了一个新的问题,那就是为什么钪的超导电性的Tc会随着压力的增加而升高呢?

  为了解释这样的一个问题,作者使用了第一性原理计算,来分析钪在不同压力下的电子结构和电子-声子耦合。他们发现,随着压力的增加,钪的晶格结构发生了几次相变,从hcp到fcc,再到hcp,最后到hcp+fcc的混合相。这些相变会导致钪的电子结构发生明显的变化,特别是3d轨道的能级会随着压力的增加而升高,从而接近费米能级,增加了电子态密度。这样,电子-声子耦合就会增强,来提升Tc。

  作者还计算了钪的声子谱和声子线宽,发现随着压力的增加,声子谱的整体频率会升高,而声子线宽会降低,这也说明了电子-声子耦合的增强。作者还给出了一个经验公式,来描述钪的Tc和压力的关系,发现和实验结果吻合得很好。


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