溫超導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論模擬預(yù)測(cè)在碳原子形成的籠狀網(wǎng)絡(luò)晶體中存在100 K以上的超導(dǎo)電性，并指出碳籠耦合是高溫超導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素，該研究為探索新型輕質(zhì)元素高溫超導(dǎo)體提供了新的方向。相關(guān)研究成果以Superconductivity Above 100 K Predicted in Carbon-Cage Network為題于10月10日發(fā)表在的Advanced Science期刊上。
高溫超導(dǎo)是2023年物理學(xué)界非?；鸨脑掝}之一，反映了人們對(duì)超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用的渴望。超導(dǎo)材料的應(yīng)用設(shè)計(jì)到一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)----超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc），這個(gè)Tc越接近我們的生活環(huán)境（常壓室溫）應(yīng)用成本越低。因此把Tc提升到接近生活環(huán)境，是110年來(lái)高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域一直追求卻仍未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。由于目前技術(shù)條件的進(jìn)步，液氮沸點(diǎn)（77 K，記為TN）這一低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)變得相對(duì)比較容易，因此探索Tc高于TN的高溫超導(dǎo)材料變得非常有意義。碳材料被認(rèn)為是未來(lái)的“芯”材料，已經(jīng)在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)；也在部分碳基材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，比如金剛石、石墨烯、碳納米管和足球烯，但是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均低于TN。
為了探索具有更高Tc的碳材料超導(dǎo)體，鐘國(guó)華博士與其合作者設(shè)計(jì)了兩種新型籠狀網(wǎng)絡(luò)碳結(jié)構(gòu)，并通過(guò)摻雜金屬改性對(duì)其超導(dǎo)性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。兩種籠型單元分別為C24和C32，這兩種籠型單元分別通過(guò)面共享的形式耦合，形成特定的空間群晶體結(jié)構(gòu)（圖1）。高通量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，部分金屬摻雜這兩種籠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后在常壓下展現(xiàn)了高溫超導(dǎo)電性，尤其是Na、Mg、Al、in和Tl金屬摻雜C24籠狀網(wǎng)絡(luò)晶體后均展現(xiàn)出了超過(guò)100 K的高溫超導(dǎo)電性，這不僅遠(yuǎn)超過(guò)金剛石、石墨烯、碳納米管和足球烯等常見碳材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也明顯高于了TN（圖2）。研究進(jìn)一步揭示，籠狀結(jié)構(gòu)的耦合是一個(gè)關(guān)鍵因素，這驅(qū)動(dòng)了比其他碳材料更強(qiáng)的電-聲耦合相互作用，從而導(dǎo)致了更高的Tc。同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)，籠狀網(wǎng)絡(luò)碳化物的超導(dǎo)電性對(duì)摻雜金屬的電負(fù)性和摻雜濃度也具有較強(qiáng)的依賴性，弱電負(fù)性和高摻雜濃度更易導(dǎo)致更高的Tc（圖3）。該研究工作不僅報(bào)道了兩種新型的碳結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)體，也理論指出碳原子形成的籠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是探索高溫超導(dǎo)體的一個(gè)新方向。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助支持。
圖1.（a）-（c）對(duì)應(yīng)為C24籠單元和 C24籠耦合后形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，不同方向視圖。（d）-（f）對(duì)應(yīng)為C32籠單元和 C32籠耦合后形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，不同方向視圖。
圖2. 碳材料或含碳材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比較，紅色符號(hào)代表了本研究結(jié)果。
圖3. 其他元素?fù)诫sC24籠后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與摻雜元素電負(fù)性和價(jià)態(tài)的關(guān)系。
聯(lián)系人：鐘國(guó)華
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
Email: gh.zhong@siat.ac.cn
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