中科大创下元素超导体转变温度新纪录，在超高压下实现36K超导体

“我们在单质元素钪中发现了 36K 的超导转变温度。相比之前发现的元素超导体，超导转变温度有着大幅提升，刷新了元素超导体的超导转变温度记录。”中国科学技术大学教授应剑俊表示。

图 | 应剑俊（来源：资料图）

即使放眼所有的超导体，也只有少数几类化合物超导体的超导转变温度能够超过 36K。

相比化合物的计算，单质元素的计算要简单得多。正因此，寻找高超导转变温度的元素超导体，吸引了不少课题组的研究兴趣。而此次研究更是打破了元素超导转变温度的记录。凭借这一成果的先进性，由应剑俊担任第一作者的相关论文发表于 Physical Review Letters 上。

（来源：Physical Review Letters）

在单质元素钪中实现 36K 的超导体，需要 260GPa 的超高压，因此目前很难产生实际应用。但是此次工作表明，元素单质钪可以实现较高的超导转变温度。

基于此，人们可以尝试在一些合金化合物或薄膜样品中，借助应力或化学压力达到高压之下单质钪的超导转变温度，如能实现则有希望带来一定的实际应用价值。

自荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）于 20 世纪初，在元素单质汞中发现超导电性以来。凭借兼具零电阻和完全抗磁性的特点，超导吸引了人们广泛的关注。

目前，超导材料已经得到广泛应用，例如可被用于无损耗的电传输和稳衡强磁场的产生。

尽管人们研究超导已有 100 多年，但是超导材料尚未得到大规模应用，核心原因在于超导的工作条件极其严苛，必须在超低温度之下才能实现，这就需要昂贵的制冷设备来维持低温，导致其应用遭到极大的限制。

多年来，人们一直在寻找具备更高超导转变温度的超导体。单质元素是一种最简单的物理系统，这为人们提供了一个研究超导物理机制的理想平台。例如，最早的超导电性以及超导体中同位素效应，均是在单质元素中被发现的。

但是，单质元素的超导转变温度普遍很低，在常压之下单质铌具有最高的超导转变温度，但是也只有 9.2K。

后来人们发现通过施加压力，很多常压之下不能超导甚至是绝缘的元素单质，在压力之下会出现超导电性。同时，当对部分超导材料施加压力时，可以提高超导的转变温度。

目前，在常压或高压之下，已有 50 多种元素被发现具有超导电性。此前，超导转变温度最高的元素单质超导体是金属钛，其超导转变温度可以达到 26K。

再后来，科学家发现很难实现具备高超导转变温度的超导体。例如，20K 以上的元素超导体有 2 种，15-20K 的元素超导体有 4 种，10-15K 的元素超导体有 6 种, 剩下 40 多种元素的超导转变温度都在 10K 以下。

前面提到，单质元素可以提供了一个最简单的物理研究体系，无论是计算复杂度还是实验复杂度都比化合物低出很多。

因此，早期的高压研究大多以单质元素作为研究对象。截至目前，所有的非放射性元素均已进行过高压研究。

但是，由于实验手段的制约，对于大量元素在更高压力之下的物理性质尚未得到深入研究。尤其是针对电输运的研究，早年间对其进行高压电输运测量时，往往需要实验人员用手动方式来铺电极。

而且其样品尺寸通常很小，这会给实验带来巨大的挑战，尤其是处理一些对空气比较敏感的样品时，必须放在手套箱进行操作，这让相关实验难上加难。

所以，此前很少有人报道 100GPa 以上的高压电输运实验。随着技术的不断迭代，人们已经可以利用光刻镀膜的方法来制作微电极，很容易就能实现 200GPa 以上电输运实验测量，这极大拓展了该类研究的压力范围。

（来源：Physical Review Letters）

2018 年，在完成美国卡耐基华盛顿研究所的博士后研究之后，应剑俊回到国内加入母校中科大担任教职。

回国之后，他搭建了高压样品的准备平台，以便进行超高压的输运测量。随后，他和团队发现具有高超导转变温度的元素，主要集中在第二主族与过渡金属交界处（Ca、Sc、Ti、V、Y）。

基于此，对于相对较高的超导转变温度来说，人们认为是由电子逐渐从 s 轨道向 d 轨道转移所导致的。

后来，他和学生注意到了其中一个元素钪（Sc）。此前，已有课题组通过高压 X 射线散射研究发现，钪在压力之下的相图非常丰富，而且在压力之下会经历 4 个相变。

更加有意思的是，高压磁化率测量结果显示：在 100GPa 左右的压力之下，钪具有接近 20K 的超导转变温度。然而，针对钪在压力之下的电输运研究几乎仍是一片空白，尤其是钪的第四个和第五个高压相的物理性质，至今尚未得到过任何研究。

为此，该团队开始对单质元素钪进行超高压力之下的电输运研究。多次实验之后，他们很快就发现钪的第四个高压相具有高达 28K 的超导转变温度，这已经可以打破此前由单质钛保持的元素超导记录。

而且，进入钪的第五个高压相后，超导转变温度会突然提升到 36K，这一温度大幅刷新了元素超导转变温度的记录。

而要想达到钪的第五相，需要 230-240GPa 以上的超高压，这在实验上很难实现。因为还没达到这个压力，金刚石就已经碎裂了。

为此，应剑俊课题组累计开展了不下 20 次实验，在压碎大约 20 对的金刚石后，终于获得了钪的完整相图。随后，为了确定钪里面的 36K 超导电性的起源，他们和南京大学孙建教授开展了理论合作。

通过理论计算，孙建发现钪里面较高的超导转变温度，是由于 d 电子与中频声子强耦合导致的。

同时，所计算得到的第五个高压相的超导转变温度，和实验结果有着较高的吻合度。这表明钪元素超导体是一种传统的 BCS（Bardeen–Cooper–Schrieffer theory）超导体。

如前所述，在将上述高压样品准备平台搭建完毕之后，为了检验在超高压之下输运测量的可行性，应剑俊和团队选择了最简单的元素体系进行相关研究。

后来到 2021 年初，他们已经观察到钪的第五个高压相具有 36K 的超导电性。为了获得更加详实的实验数据，他们又花时间多做了一些实验。

这时，两个其他课题组独立报道了单质钛中具有 23-26K 的超导转变温度。这让应剑俊意识到在利用超高压手段研究元素超导体上，学界之间有着激烈的竞争。

而来自同行的成果也同时印证了 s 电子到 d 电子的转移，能对超导转变温度起到巨大的提升作用。

随后，应剑俊团队加快实验进程，最终于 2022 年底把本次论文投稿给 Physical Review Letters。

他表示：“2023 年 2 月，我们又把论文挂到 arXiv 预印本网站。几天之后，物理所靳常青研究员课题组也在 arXiv 上发布了他们的研究成果，他们认为 Sc 具有 30K 以上的超导转变温度，这些结果也进一步验证了我们的结论。”

最终在 2023 年 6 月，应剑俊的论文以《元素钪在 260GPa 压力下的 36K 超导转变温度》（Record High 36K Transition Temperature to the Superconducting State of Elemental Scandium at a Pressure of 260 GPa）为题发在 Physical Review Letters 上，应剑俊是第一作者，中科大陈仙辉教授和南京大学孙建教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

事实上，单质钪的高压相图十分丰富，目前对于第三个和第四个高压相的结构尚未得到确定，它在压力之下的相变机理依旧是一个谜团，因此未来还需要在高压理论和实验方面开展大量工作。

此外，还有不少其他元素在超高压之下的物理性质尚未得到研究。因此，应剑俊打算对其它元素进行 200GPa 以上的超高压研究，期望能够看到一些新奇的物理现象。

目前，应剑俊的课题组隶属于中科大陈仙辉教授超导团队，主攻高压物理领域的研究。旨在通过结合超高压、极低温和强磁场等极端条件，来对量子材料进行调控。此外，也会在特定压力之下发展一些测量技术手段，以用于研究量子材料在压力之下的物理机制。

参考资料：

1.Ying, J., Liu, S., Lu, Q., Wen, X., Gui, Z., Zhang, Y., ... & Chen, X. (2023). Record High 36K Transition Temperature to the Superconducting State of Elemental Scandium at a Pressure of 260 GPa.Physical Review Letters, 130(25), 256002.