全球科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
EX6组供稿
第80期
2020年10月10日
基于标准四电极法研究笼型富氢化物LaH10的高温超导电性

  自从1911年超导现象被发现以来,室温超导一直是人们孜孜以求的目标。然而,基于电-声耦合机制的常规超导体,其超导临界温度(Tc)通常很难超过麦克米兰极限~40K。上世纪80年代发现的铜氧化物高温超导体为实现室温超导带来了希望,但经过30多年的研究,最高Tc(常压下~134K,高压下~164K)很难进一步提高,而且非常规超导机理至今仍悬而未决。另一方面,根据BCS理论,人们预期如果在高压下获得金属氢或高度富氢材料可能会实现高温甚至室温超导。按照这种思路,近年来人们在理论设计和实验合成富氢高温超导体方面取得了重要进展,尤其是2014年发现硫化氢在高压条件下呈现出Tc = 203 K的高温超导电性,打破了之前铜氧化物高温超导体保持的纪录,极大地激发了人们探索室温超导的热情。2019年,来自德国和美国的两个研究小组,分别独立报道了超高压下合成的笼型富氢材料LaH10+δ具有Tc = 250-260 K的近室温超导,在国际上吸引了广泛关注。然而,由于LaH10+δ及相关富氢超导材料的研究涉及兆巴(百万大气压)超高压条件下的原位高温合成和低温电输运测量,对高压实验技术提出较高的要求。

  最近,全球科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6课题组的洪芳副研究员、于晓辉副研究员、程金光研究员和超导国家重点实验室的赵忠贤院士与北京高压科学中心杨留响研究员通力合作,克服各种高压技术难点,通过在70微米的金刚石对顶砧台面上手工布置标准四电极引线,采用氨硼烷作为氢源,利用激光加热使其分解产生氢气并与放置在金刚石对顶砧压腔内的La金属薄片反应。通过调节激光加热温度,在165GPa,1700 K加热得到了Tc≈240-250K的LaH10+δ。通过不同磁场下的电阻测试,进一步确认LaH10+δ的高温超导转变(图1)。

  该工作不仅成功重复出了之前德国和美国研究组发现的LaH10+δ高温超导体,而且还发展了利用金刚石对顶砧开展兆巴高压下的原位激光加热与标准四电极电阻测试技术。该实验路线相对简单、易于推广,有助于推动超高压下富氢高温超导材料的探索研究。

  相关成果近期发表在Chinese Physics Letters 37, 107401 (2020)。参与该工作的还有物理所EX6课题组的单鹏飞、杨芃焘、刘子儀、孙建平、殷云宇。相关实验使用了在建的国家重大科技基础设施项目—综合极端条件实验装置的部分高压实验设备。该工作还得到了国科院B类先导专项、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金和科技部重点研发计划项目的支持。

  [1] F. Hong, L. X. Yang, P. F. Shan, P. T. Yang, Z. Y. Liu, J. P. Sun, Y. Y. Yin, X. H. Yu, J. G. Cheng, Z. X. Zhao; “Superconductivity of lanthanum superhydride investigated using the standard four-probe configuration under high pressures”, Chinese Physics Letters (2020) 37, 107401

链接:http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/37/10/107401

图1. 左图为激光加热前后的样品和电极对比图,右图为升降温过程测试的电阻数据显示出超导转变;插图为不同磁场下的电阻数据,显示超导转变随磁场增加而逐渐向低温移动。