元素超導既益于超導機制研究又方便應用加工，尋找高超導溫度（Tc）的元素超導體具有重要科學意義和潛在應用前景。2022年靳常青團隊實驗發現鈦(Ti)元素在高壓呈現26 K的超導轉變(Nature Commun. 13, 5411(2022))，刷新了此前保持近20年的元素超導溫度記錄。在以上研究基礎上，團隊近期獨立發現鈧(Sc)元素在高壓呈現高于30 K的超導轉變，鈧和鈦為毗鄰元素，鈧為目前唯一進入30 K溫區的元素超導體。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心靳常青團隊長期開展高壓極端條件新材料制備及功能構效研究，設計研發了具有自主知識產權的先進的高壓綜合極端條件實驗裝置，可進行超高壓合成和在位綜合物性表征。運用以上極端條件技術，他們相繼揭示了系列高壓誘發的極端條件材料構效，包括金屬間化合物、合金和富氫化合等新興量子功能材料體系 (PNAS 116, 12156(2019)、 Nature Commun. 13, 5411(2022)、Nature Commun. 13, 2863(2022)、Sci Bull 67, 907(2022)、Mat Today Phys 27, 100826(2022)、Sci China Phys Mech 66, 267411(2023)、NPG Asia Materials 11, 60(2019)、NPG Asia Materials 15, 52(2023)。
近期，他們實驗進一步發現，鈧元素的超導溫度隨著壓力持續增加（圖1）。根據超導轉變隨外加磁場的變化，估算鈧元素在32 K 超導溫度的上臨界場μ0Hc2(0)約為43 Tesla，對應Ginzburg Landau超導相干長度為27 ?（圖2）。鈧元素的高壓超導溫度和上臨界場優于商業化并被廣泛應用的NbTi合金超導體（Tc~9.6 K，μ0Hc2(0)~ 15 T）。同步輻射高壓結構表征揭示，鈧元素在高壓呈現序列結構相變，在240 GPa壓力具有六方晶體結構。晶體和電子結構研究表明，高壓將引起鈧的4s和3d軌道相對能級的變化，導致部分4s電子向3d軌道躍遷，調控了費米能級的態密度。軌道序的改變誘發系列晶體結構相變，晶體結構不穩定性進一步增強了體系電聲耦合，促進超導轉變溫度的提高。以上研究為設計研制具有更高溫度的超導材料提供了新方案，通過引入化學預壓等方法將有望在低(常)壓截獲性能優良的高壓超導亞穩相，為元素超導材料的規模化應用提供可能。
以上研究工作發表在Chin. Phys. Lett. 40, 107403 (2023) (Express Letters)上，中國科學院物理研究所博士生何鑫和張昌玲為文章共同一作，靳常青研究員和望賢成研究員為論文通訊作者。研究得到北京高壓科學技術中心劉浩哲研究員團隊在高壓材料結構實驗方面密切合作，加拿大Saskatchewan大學的J. S. Tse教授在理論計算方面給予重要配合。研究得到基金委、科技部和中科院項目的資助。
圖1、元素鈧高壓超導性質：(a) 元素鈧在283 GPa呈現Tc 32 K的超導轉變； (b) 元素鈧高壓超導相圖。
圖2、鈧金屬在283 GPa壓力估算的上臨界場。
請參閱：X. He, C. L. Zhang, Z. W. Li, S. J. Zhang, S. M. Feng, J. F. Zhao, K. Lu, B. S. Min, Y. Peng, X. C. Wang, J. Song, L. H. Wang, S. I. Kawaguchi, C. Ji, B. Li, H. Z. Liu, J. S. Tse, and C. Q. Jin, "Superconductivity above 30K Achieved in Dense Scandium", Chin. Phys. Lett. 40, 107403(2023) (Express Letter)
DOI: 10.1088/0256-307X/40/10/107403；
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