2020年10月篇高壓室溫超導(dǎo)的Nature期刊刷遍了整個(gè)超導(dǎo)圈。美國(guó)羅徹斯大學(xué)Ranga P. Dias教授團(tuán)隊(duì)使用超高壓的手段將碳質(zhì)硫氫化物在近乎室溫環(huán)境中轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，將超導(dǎo)探索的歷程向前推進(jìn)了大步。超導(dǎo)研究進(jìn)展與惡劣環(huán)境實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步密不可分，隨著科學(xué)儀器和精密制造業(yè)的不斷發(fā)展，惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境也不再遙不可及。

壓強(qiáng)是個(gè)非常重要的熱力學(xué)維度，因材料在高壓下會(huì)呈現(xiàn)出新奇的結(jié)構(gòu)和性能，直以來(lái)備受物理、材料和化學(xué)研究者的關(guān)注。在此基礎(chǔ)上結(jié)合低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的復(fù)合惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境則更有助于我們揭示諸如超導(dǎo)、自旋液體材料等的物理機(jī)理。

2020年9月，中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中科院金屬所在Nature子刊NPG Asia Materials上合作發(fā)表了篇關(guān)于二維碳化物薄膜Mo₂C常規(guī)超導(dǎo)體在壓力下的超導(dǎo)機(jī)理研究文章。文章主要介紹了二維碳化物Mo₂C的正交相α-Mo₂C和六方相β-Mo₂C薄膜材料在低溫高壓環(huán)境下的超導(dǎo)性能。高壓下的超導(dǎo)研究，可以揭示超導(dǎo)材料中不同因素之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而幫助探索超導(dǎo)的機(jī)理。通常來(lái)講，具有高dTc/dP的超導(dǎo)材料可以用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)替代或外延應(yīng)變實(shí)現(xiàn)更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。文章隨后針對(duì)這兩種不同晶相的Mo₂C薄膜對(duì)高壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變性進(jìn)行了更細(xì)致的研究。

該課題組對(duì)25.1 nm厚度的α-Mo₂C和7.1 nm厚度的β-Mo₂C在2-5K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近施加了高達(dá)2.1 GPa的等靜壓，并在多個(gè)壓力下對(duì)其超導(dǎo)電性進(jìn)行了測(cè)量，可以看出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc在兩個(gè)晶相中表現(xiàn)出截然不同的壓力響應(yīng)趨勢(shì)。其中β-Mo₂C的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增大而路走低，通過(guò)BCS理論進(jìn)行分析，這是因?yàn)閴毫φT導(dǎo)聲子硬化效應(yīng)超過(guò)了電子征對(duì)超導(dǎo)溫度的提升貢獻(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓強(qiáng)增加而下降；而α-Mo₂C展現(xiàn)出非線性的穹頂狀曲線，顯示出電聲子相互競(jìng)爭(zhēng)共同主導(dǎo)了材料的超導(dǎo)性。

上臨界場(chǎng)H_C2(0)隨壓強(qiáng)的演變情況在α-Mo₂C和β-Mo₂C薄膜材料中也分別表現(xiàn)出非單調(diào)和單調(diào)的演變情況。該課題組認(rèn)為兩晶相超導(dǎo)性隨壓強(qiáng)明顯不同的響應(yīng)關(guān)系主要?dú)w因于碳原子分布的有序和無(wú)序性，導(dǎo)致材料電子結(jié)構(gòu)存在顯著差別，當(dāng)然碳原子有序無(wú)序性對(duì)電子結(jié)構(gòu)的具體影響還有待進(jìn)步研究。

此外，二維薄膜材料的電輸運(yùn)性能也同時(shí)受到薄膜厚度的影響，文章對(duì)不同厚度的兩種晶相薄膜分別進(jìn)行了細(xì)致的電輸運(yùn)測(cè)量分析，從數(shù)據(jù)中也可以明顯看出隨著薄膜厚度的降低，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc點(diǎn)也隨之降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Ginzburg-Landau自由能理論相吻合。

值得提的是，文中不同壓力和溫度采集的精細(xì)輸運(yùn)數(shù)據(jù)均來(lái)源于Quantum Design科學(xué)儀器，主要包括有Quantum Design日本分公司生產(chǎn)的HPC-33型號(hào)等靜油壓電測(cè)量高壓腔以及Quantum Design美國(guó)生產(chǎn)的PPMS 9T綜合物性測(cè)量系統(tǒng)。其中HPC-33型高壓腔高達(dá)可以提供3 Gpa壓強(qiáng)，樣品腔內(nèi)徑4 mm，長(zhǎng)度6 mm，能夠幫助用戶在PPMS上實(shí)現(xiàn)變溫變壓變磁場(chǎng)的三個(gè)不同維度的電學(xué)測(cè)量。

此外，Quantum Design公司還提供了簡(jiǎn)單易用的磁測(cè)量高壓腔組件，能夠?qū)崿F(xiàn)大1.3 Gpa的樣品壓力，適配于大16 T磁場(chǎng)并配有振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VSM和VSM大線圈組件的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS。

參考文獻(xiàn)

[1]. Fan, Y., Xu, C., Liu, X. et al. Distinct superconducting properties and hydrostatic pressure effects in 2D α- and β-Mo₂C crystal sheets. NPG Asia Mater 12, 60 (2020).