近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝教授團(tuán)隊(duì)的應(yīng)劍俊特任研究員等人與南京大學(xué)孫建教授課題組合作在高壓元素超導(dǎo)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。通過(guò)超高壓技術(shù)手段，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)元素鈧在高壓下具有高達(dá)36K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，刷新了元素超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度的記錄。相關(guān)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(píng)論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett. 130, 256002 (2023)）。

元素超導(dǎo)體為研究超導(dǎo)電性提供了一個(gè)最簡(jiǎn)單、最干凈的材料平臺(tái)。自從1911年荷蘭科學(xué)家昂尼斯在元素汞中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以來(lái)，越來(lái)越多的元素被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)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(dǎo)電性。然而，大多數(shù)元素的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都較低，之前最高的元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為26K，是由元素鈦在高壓下所實(shí)現(xiàn)。

早期研究發(fā)現(xiàn)，元素鈧在壓力下會(huì)經(jīng)歷四個(gè)結(jié)構(gòu)相變。在23 GPa以上，Sc-I相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾c-II相，并且Sc-II相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在100GPa左右達(dá)到最高近20K，其相對(duì)較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度被認(rèn)為是來(lái)源于電子逐漸從4s軌道向3d軌道轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致。由于早期高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，元素鈧在更高壓力下的超導(dǎo)電性研究仍然十分缺乏。

圖示：元素鈧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的演化相圖。

針對(duì)這一問(wèn)題，我校陳仙輝教授研究團(tuán)隊(duì)的應(yīng)劍俊特任研究員等人對(duì)元素鈧進(jìn)行了超高壓下的輸運(yùn)研究，確定了其高壓下的超導(dǎo)相圖。通過(guò)高壓電輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)在Sc-II相，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）隨壓力增加而迅速增加，與早期的報(bào)道一致。而在進(jìn)入Sc-III相后，Tc隨壓力幾乎保持不變。當(dāng)進(jìn)入Sc-IV相后，Tc隨壓力的增加又繼續(xù)增加，最高達(dá)到28K。當(dāng)體系最終在高壓下進(jìn)入Sc-V相后，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突然提升到36K，并且隨壓力幾乎保持變化。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算探索了高壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大幅提升的物理來(lái)源。計(jì)算結(jié)果表明：Sc-V相中d電子與中等頻率聲子之間的強(qiáng)耦合是導(dǎo)致其高Tc的最主要的原因。這些結(jié)果表明元素鈧在壓力下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在Sc-V相中發(fā)現(xiàn)的36K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不但刷新了元素超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄，而且也為在簡(jiǎn)單體系中尋找高溫超導(dǎo)材料提供了一個(gè)新的思路。

中科大物理學(xué)院應(yīng)劍俊特任研究員為相關(guān)文章的第一作者和共同通訊作者，陳仙輝教授和南京大學(xué)孫建教授為上述文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院以及安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目的相關(guān)基金資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.256002

（物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）