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近日，中國科學技術大學物理學院、中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝教授團隊的應劍俊特任研究員等人與南京大學孫建教授課題組合作在高壓元素超導領域取得重要進展。通過超高壓技術手段，研究團隊發(fā)現(xiàn)元素鈧在高壓下具有高達36 K的超導轉變溫度，刷新了元素超導最高轉變溫度的記錄。相關研究成果于6月22日以“Record High 36 K Transition Temperature to the Superconducting State of Elemental Scandium at a Pressure of 260 GPa”為題在線發(fā)表在《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 130, 256002 (2023)）。
元素超導體為研究超導電性提供了一個最簡單、最干凈的材料平臺。自從1911年荷蘭科學家昂尼斯在元素汞中發(fā)現(xiàn)超導電性以來，越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)具有超導電性。目前，共有50多種元素在常壓或高壓環(huán)境下被發(fā)現(xiàn)具有超導電性。然而，大多數(shù)元素的超導轉變溫度都較低，之前最高的元素超導轉變溫度為26 K，是由元素鈦在高壓下所實現(xiàn)。
早期研究發(fā)現(xiàn)，元素鈧在壓力下會經(jīng)歷四個結構相變。在23 GPa以上，Sc-I相會轉變?yōu)镾c-II相，并且Sc-II相的超導轉變溫度在100 GPa左右達到最高近20 K，其相對較高的超導轉變溫度被認為是來源于電子逐漸從4s軌道向3d軌道轉移所導致。由于早期高壓實驗技術的限制，元素鈧在更高壓力下的超導電性研究仍然十分缺乏。
圖示：元素鈧的超導轉變溫度隨壓力的演化相圖。
針對這一問題，我校陳仙輝教授研究團隊的應劍俊特任研究員等人對元素鈧進行了超高壓下的輸運研究，確定了其高壓下的超導相圖。通過高壓電輸運測量發(fā)現(xiàn)在Sc-II相，超導轉變溫度（Tc）隨壓力增加而迅速增加，與早期的報道一致。而在進入Sc-III相后，Tc隨壓力幾乎保持不變。當進入Sc-IV相后，Tc隨壓力的增加又繼續(xù)增加，最高達到28 K。當體系最終在高壓下進入Sc-V相后，其超導轉變溫度突然提升到36 K，并且隨壓力幾乎保持變化。隨后，研究團隊通過第一性原理計算探索了高壓下超導轉變溫度大幅提升的物理來源。計算結果表明：Sc-V相中d電子與中等頻率聲子之間的強耦合是導致其高Tc的最主要的原因。這些結果表明元素鈧在壓力下的超導轉變溫度與結構密切相關，在Sc-V相中發(fā)現(xiàn)的36 K超導轉變溫度不但刷新了元素超導轉變溫度的記錄，而且也為在簡單體系中尋找高溫超導材料提供了一個新的思路。
中科大物理學院應劍俊特任研究員為相關文章的第一作者和共同通訊作者，陳仙輝教授和南京大學孫建教授為上述文章的共同通訊作者。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院以及安徽省引導項目的相關基金資助。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.256002
（物理學院、中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室、合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、科研部）
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