2020年10月一篇高壓室溫超導的Nature期刊刷遍了整個超導圈。美國羅徹斯特大學Ranga P. Dias教授團隊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B(tài)，將超導探索的歷程向前推進了一大步。超導研究進展與端環(huán)境實驗技術的進步密不可分，隨著科學儀器和精密制造業(yè)的不斷發(fā)展，端實驗環(huán)境也不再遙不可及。

　　壓強是一個非常重要的熱力學維度，因材料在高壓下會呈現(xiàn)出新奇的結(jié)構(gòu)和性能，一直以來備受物理、材料和化學研究者的關注。在此基礎上結(jié)合低溫和強磁場環(huán)境實現(xiàn)的復合端實驗環(huán)境則更有助于我們揭示諸如超導、自旋液體材料等的物理機理。

　　2020年9月，中科院強耦合量子材料物理重點實驗室和中科院金屬所在Nature子刊NPG Asia Materials上合作發(fā)表了一篇關于二維碳化物薄膜Mo₂C常規(guī)超導體在壓力下的超導機理研究文章。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)境下的超導性能。高壓下的超導研究，可以揭示超導材料中不同因素之間的競爭關系，從而幫助探索超導的機理。通常來講，具有高dTc/dP的超導材料可以利用適當?shù)幕瘜W替代或外延應變實現(xiàn)更高的超導轉(zhuǎn)變溫度。文章隨后針對這兩種不同晶相的Mo₂C薄膜對高壓下的超導轉(zhuǎn)變特性進行了更細致的研究。

　　該課題組對25.1 nm厚度的α-Mo₂C和7.1 nm厚度的β-Mo₂C在2-5K超導轉(zhuǎn)變溫度附近施加了高2.1 GPa的等靜壓，并在多個壓力下對其超導電性進行了測量，可以看出超導轉(zhuǎn)變溫度Tc在兩個晶相中表現(xiàn)出截然不同的壓力響應趨勢。其中β-Mo₂C的超導轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增大而一路走低，通過BCS理論進行分析，這是因為壓力誘導聲子硬化效應超過了電子特征對超導溫度的提升貢獻，進而導致超導轉(zhuǎn)變溫度隨壓強增加而下降；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爭共同主導了材料的超導特性。

　　上臨界場H_C2(0)隨壓強的演變情況在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。該課題組認為兩晶相超導特性隨壓強明顯不同的響應關系主要歸因于碳原子分布的有序和無序性，導致材料電子結(jié)構(gòu)存在顯著差別，當然碳原子有序無序性對電子結(jié)構(gòu)的具體影響還有待進一步研究。

　　此外，二維薄膜材料的電輸運性能也同時受到薄膜厚度的影響，文章對不同厚度的兩種晶相薄膜分別進行了細致的電輸運測量分析，從數(shù)據(jù)中也可以明顯看出隨著薄膜厚度的降低，超導轉(zhuǎn)變溫度Tc點也隨之降低，實驗結(jié)果與Ginzburg-Landau自由能理論相吻合。

　　值得一提的是，文中不同壓力和溫度采集的精細輸運數(shù)據(jù)均來源于Quantum Design科學儀器，主要包括有Quantum Design日本分公司生產(chǎn)的HPC-33型號等靜油壓電測量高壓腔以及Quantum Design美國生產(chǎn)的PPMS 9T綜合物性測量系統(tǒng)。其中HPC-33型高壓腔高可以提供3 Gpa壓強，樣品腔內(nèi)徑4 mm，長度6 mm，能夠幫助用戶在PPMS上實現(xiàn)變溫變壓變磁場的三個不同維度的電學測量。

　　此外，Quantum Design公司還提供了簡單易用的磁測量專用高壓腔組件，能夠?qū)崿F(xiàn)大1.3 Gpa的樣品壓力，適配于大16 T磁場并配有振動樣品磁強計VSM和VSM大線圈組件的綜合物性測量系統(tǒng)PPMS。

參考文獻

[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).

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