抵御大變形超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)*

郭靜 吳奇 孫力玲2)3)?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

2)(北京市高壓科學(xué)研究中心,北京 100094)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

1 引言

超導(dǎo)電性是指超導(dǎo)體同時(shí)具有零電阻和抗磁性(邁斯納效應(yīng))的特殊電磁響應(yīng)特性.超導(dǎo)電性是一種宏觀量子現(xiàn)象,是構(gòu)成超導(dǎo)體的大量帶電粒子產(chǎn)生的微觀相互作用的結(jié)果,因此是一種“演生現(xiàn)象”.總體來(lái)講,超導(dǎo)演生現(xiàn)象源于超導(dǎo)體所具有的電荷、軌道、自旋、晶格等多種自由度之間的相互作用.具有不同化學(xué)組分、晶體結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體具有不同的起主導(dǎo)作用的自由度及其相互作用的狀態(tài),因此表現(xiàn)為不同的超導(dǎo)電性差異性,導(dǎo)致具有不同的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界溫度(Tc)或在非熱力學(xué)調(diào)制參量(摻雜、壓力、磁場(chǎng)、電流等)作用下具有不同的臨界值.

其中,壓力對(duì)Tc的影響一直是超導(dǎo)電性研究的一個(gè)重要課題,取得了許多重要的發(fā)現(xiàn)[1–40].例如,在銅氧化物和鐵基超導(dǎo)研究中,發(fā)現(xiàn)加壓可以提高Tc,從而可以指導(dǎo)常壓下采用小離子半徑原子替代(引入化學(xué)內(nèi)壓力)制備出具有更高Tc的超導(dǎo)體[2,3,9],可見(jiàn)高壓下發(fā)現(xiàn)的規(guī)律對(duì)超導(dǎo)新材料的探索具有重要意義.在對(duì)空穴摻雜的Bi 系銅氧化物高溫超導(dǎo)體的研究中發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著壓力的升高先略有升高后被抑制,然后進(jìn)入絕緣態(tài)的普適行為[6];在堿金屬鐵硒基超導(dǎo)體和重費(fèi)米子超導(dǎo)體中都發(fā)現(xiàn)了壓力導(dǎo)致的超導(dǎo)再現(xiàn)現(xiàn)象[8,32];在H3S,LaH10等系列氫化物中發(fā)現(xiàn)壓致高溫超導(dǎo)電性的特征[33–40];以及在非超導(dǎo)元素中發(fā)現(xiàn)在壓力驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)超導(dǎo)電性[17,19–30].此外,在對(duì)簡(jiǎn)單元素超導(dǎo)體的研究中,發(fā)現(xiàn)后過(guò)渡族超導(dǎo)金屬元素傳統(tǒng)超導(dǎo)體(如Zn,Cd,Hg,Tl,Pb 等)的Tc均隨壓力的增大而減小[15,16].也有些元素在壓力下出現(xiàn)超導(dǎo)電性后Tc隨著壓力的升高而升高[19–23]等等.

本文介紹一種近年發(fā)現(xiàn)的能抵御大變形的超導(dǎo)體.這類(lèi)超導(dǎo)體在壓力作用下,即使發(fā)生了很大的體積壓縮,仍能保持Tc的不變.我們最初在高熵合金的壓力研究中發(fā)現(xiàn)了這種超導(dǎo)行為[41],隨后的研究表明廣泛應(yīng)用的商業(yè)化NbTi 合金以及Nb,Ta 等簡(jiǎn)單金屬元素也具有這種超導(dǎo)態(tài)[42,43].這類(lèi)超導(dǎo)體的共性是具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)、由過(guò)渡族金屬元素構(gòu)成,我們將這類(lèi)在較大壓力范圍內(nèi)Tc能保持穩(wěn)定的超導(dǎo)體稱(chēng)為“抵御大變形超導(dǎo) 體(robust superconductivity against volume shrinkage,RSAVS)”.

2 抵御大變形超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

能夠抵御大變形的超導(dǎo)電性現(xiàn)象最先是在高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)研究中發(fā)現(xiàn)的.高熵合金通常是指由5 種或5 種以上等量或相近比例的金屬元素構(gòu)成的合金.由于這些不同金屬原子在晶體結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)高度隨機(jī)或者無(wú)序排列,導(dǎo)致其熵的增加,故稱(chēng)之為高熵合金.傳統(tǒng)合金通常只由少數(shù)幾種主要元素構(gòu)成并決定了其結(jié)構(gòu)和物性,而高熵合金展現(xiàn)出與傳統(tǒng)合金截然不同的結(jié)構(gòu)特性與相應(yīng)的物性[44–52].

2014年,人們?cè)谟?d 和5d 金屬元素組成的高熵合金中首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體電性[53],其常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為7.3 K.隨后人們進(jìn)行了廣泛的研究,發(fā)現(xiàn)了一系列高熵合金超導(dǎo)體[54],其中包括Ta-Nb-Hf-Zr-Ti 和Nb-Zr-Ti-Re 超導(dǎo)體[55–60].這類(lèi)高熵合金超導(dǎo)體具有體心立方結(jié)構(gòu)(晶格常數(shù)a0約為3.2 ?),空間群為Im3m,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)介于4.0 至9.2 K 之間.

2017年,我們對(duì)高熵合金超導(dǎo)體(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33進(jìn)行了系統(tǒng)的原位超高壓研究,發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨著壓力的升高先上升,然后在 60 GPa 以上,隨壓力的繼續(xù)增大至190.6 GPa,其Tc出乎意料地幾乎保持不變[41].值得注意的是,在高達(dá) 190.6 GPa 的壓力下(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33仍能保持零電阻行為,而且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的變化很小(見(jiàn)圖1).高壓同步輻射X 射線衍射(XRD)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在 96 GPa 下樣品沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變,保持完好的立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu),但是其體積卻被壓縮了約28%.對(duì)于絕大多數(shù)超導(dǎo)體來(lái)說(shuō),Tc對(duì)壓力導(dǎo)致的體積變化十分敏感,即晶格常數(shù)的變化會(huì)對(duì)Tc有較大的影響[2–12],這種高熵合金超導(dǎo)體在如此大的晶格收縮下其Tc能保持不變是一個(gè)非常令人驚奇的現(xiàn)象.這種現(xiàn)象及其在壓力下表現(xiàn)出的異常穩(wěn)定的零電阻超導(dǎo)電性不僅為完整地理解超導(dǎo)機(jī)理提供了新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究課題,還為在超高壓極端條件下服役超導(dǎo)材料的潛在應(yīng)用提供了一種候選合金.

圖1 由電阻-溫度曲線確定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與壓力關(guān)系相圖,壓力范圍為0 至190.6 GPa[41]Fig.1.Phase diagram of superconducting transition temperature vs.applied pressure up to 190.6 GPa for the HEA,combined with plots of the corresponding resistance vs.temperature [41].

為了研究這種抵抗大變形超導(dǎo)電性在其他高熵合金中存在的可能性,采用相同的高壓實(shí)驗(yàn)方法對(duì)另一種高熵合金超導(dǎo)體(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4進(jìn)行了研究,如圖2 所示.其常壓下Tc為7.3 K,隨著壓力的升高其Tc逐漸升高,但在 30.2 GPa后基本保持不變,繼續(xù)升高壓力表現(xiàn)為穩(wěn)定的超導(dǎo)態(tài).高壓XRD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其在壓力下晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在80 GPa 的壓力范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變,但體積發(fā)生了較大的壓縮.該六元高熵合金在壓力下表現(xiàn)出和(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33相似的特征.

圖2 (a)高熵合金(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 在2.9—71.8 GPa 壓力范圍內(nèi)的電阻隨溫度變化關(guān)系;(b)較低溫度范圍的歸一化電阻;(c)3.9—80.1 GPa 壓力范圍X 射線粉末衍射圖譜;(d),(e)晶格參數(shù)和晶胞體積隨壓力的變化[41]Fig.2.(a)Temperature dependence of the resistance in the pressure range of 2.9–71.8 GPa;(b)normalized resistance at lower temperature,exhibiting sharp superconducting transitions with zero resistance and the continuous increase in Tc upon compression;(c)X-ray powder diffraction patterns collected in the pressure range of 3.9–80.1 GPa;(d),(e)pressure dependence of the lattice parameter and unit cell volume [41].

3 抵御大變形超導(dǎo)現(xiàn)象的普適性

3.1 二元合金商用超導(dǎo)體

為了進(jìn)一步了解在高熵合金中發(fā)現(xiàn)的能抵抗大變形超導(dǎo)電性現(xiàn)象的普適性及其共性,對(duì)與這類(lèi)高熵合金密切相關(guān)的鈮-鈦合金進(jìn)行了系統(tǒng)研究.鈮和鈦是組成高熵合金(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33的主要構(gòu)成元素,因此,對(duì)NbTi 合金的超高壓力下的超導(dǎo)行為的了解及其與高熵合金的對(duì)比研究,能為對(duì)高熵合金在壓力下奇異超導(dǎo)特性產(chǎn)生的微觀機(jī)制的理解提供有用的信息.NbTi 合金具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、較高的上臨界磁場(chǎng),同時(shí)易于加工、成本低廉且具有耐久性等優(yōu)點(diǎn)[61–65],因此目前它是最成功、商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的超導(dǎo)材料之一.在醫(yī)療、交通、能源、高能物理等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.

我們對(duì)鈮鈦合金超導(dǎo)體在超高壓力下的晶體結(jié)構(gòu)和常態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果及超導(dǎo)電性進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析[42],發(fā)現(xiàn)其在 200 GPa 壓力范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變,保持體心立方結(jié)構(gòu),晶格參數(shù)和晶胞體積隨壓力的升高連續(xù)下降,在200 GPa 體積壓縮了 43% (如圖3 所示),這是非常大的體積壓縮率.在電輸運(yùn)的測(cè)量中發(fā)現(xiàn),Tc隨著壓力的升高從常壓下的9.6 K 上升到120 GPa下的19.1 K,升高了近1 倍.隨著壓力進(jìn)一步升高,Tc幾乎不變,一直到261.7 GPa.在如此高的壓力下樣品仍顯現(xiàn)出具有零電阻的超導(dǎo)電性,同時(shí),這一結(jié)果表明鈮鈦合金的超導(dǎo)電性是目前已知所有超導(dǎo)體中最耐壓的.1.8 K 溫度下的高壓磁阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在 211 GPa 壓力下臨界磁場(chǎng)由 15.4 T提高到了 19 T (如圖4 所示).這是過(guò)渡族金屬元素合金超導(dǎo)體中所發(fā)現(xiàn)的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和最高臨界磁場(chǎng).總體來(lái)說(shuō),NbTi 合金和高熵合金(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33在壓力下表現(xiàn)出類(lèi)似的行為:Tc隨著體積壓縮先有所升高,然后在體積達(dá)到一定的形變量后基本不變,隨后超導(dǎo)電性在一定的壓力范圍內(nèi)具有抵御大的變形量而不發(fā)生改變的特性.該研究揭示了由一些過(guò)渡族金屬元素構(gòu)成的合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性具有可抵御大形變而穩(wěn)定存在的特性,這與銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)電性對(duì)體積變化的高度敏感性形成了鮮明的對(duì)比,也與后過(guò)渡族金屬元素超導(dǎo)體(價(jià)態(tài)電子中 d 電子滿殼層)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨體積壓縮而下降的行為明顯不同[17].

圖3 高壓下NbTi 合金結(jié)構(gòu)信息 (a)0.1—200.5 GPa 壓力范圍內(nèi)X 射線粉末衍射圖譜;(b),(c)兩輪獨(dú)立測(cè)量獲得的晶格參數(shù)和晶胞體積隨壓力的變化.圖(b)插圖為NbTi 超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖[42]Fig.3.Structure information for NbTi at high pressure: (a)X-ray powder diffraction patterns collected in the pressure range of 0.1–200.5 GPa;(b),(c)pressure dependence of the lattice parameter and unit cell volume for independent two runs.The inset of Figure (b)displays the schematic crystal structure of the NbTi superconductor [42].

圖4 Nb0.44Ti0.56 的超導(dǎo)性在不同壓力和磁場(chǎng)條件下的變化以及摩爾體積的壓力依賴關(guān)系.在壓力與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)關(guān)系圖中,彩色球代表來(lái)自不同輪實(shí)驗(yàn)的Tc 值.在磁場(chǎng)B(T)與Tc 關(guān)系圖中,黑色、綠色和紅色球代表在零磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)下獲得的Tc值.在壓力與體積(–?V=Vp– V0,其中Vp 是在固定壓力下的體積,V0 是環(huán)境壓力下的體積)關(guān)系圖中,粉色和藍(lán)色方塊表示來(lái)自兩輪獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.紅色五角星號(hào)代表最高壓力下的Tc 值,綠色五角星號(hào)表示1.8 K 下的臨界磁場(chǎng)和本研究的最大壓力,藍(lán)色五角星號(hào)表示研究中所施加最高壓力下的相對(duì)體積[42]Fig.4.Superconductivity of Nb0.44Ti0.56 under various pressure and magnetic field conditions,and the pressure dependence of its molar volume.In the panel of pressure versus superconducting transition temperature (Tc),the colored balls represent the Tc obtained from the different experimental runs.In the panel of magnetic field,B (T)versus Tc,the black,green,and red balls represent Tc obtained under zero and applied magnetic fields.In the panel of pressure versus volume (–ΔV=Vp – V0,where Vp is the volume at fixed pressure and V0 is the ambient-pressure volume),the pink and blue squares represent the results obtained from the two independent runs.The red star labels the Tc value at the record-high pressure,the green star marks the critical field at 1.8 K and the maximum pressure of this study,and the blue star refers to the relative volume at the highest pressure investigated.The top left panel displays that the maximum pressure of this study falls in that of outer core of the earth [42].

3.2 金屬元素超導(dǎo)體

進(jìn)一步分析研究使我們注意到,對(duì)于(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33中含有的具有體心立方結(jié)構(gòu)的Ta 和Nb 單質(zhì)金屬元素,它們的Tc從常壓開(kāi)始就隨壓力保持幾乎不變[66,67].對(duì)于 Ta 來(lái)說(shuō),Tc隨壓力幾乎保持不變的區(qū)間為常壓至 50 GPa;對(duì)于 Nb,Tc隨壓力保持不變的區(qū)間為常壓至 46 GPa,如圖5所示.這兩種元素在壓力下其體心立方晶體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,其Tc在隨壓力保持不變的壓力區(qū)間內(nèi)僅表現(xiàn)出晶格常數(shù)的連續(xù)減小,沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變,保持常壓的體心立方結(jié)構(gòu)[68,69].根據(jù)X 射線衍射的結(jié)果,Ta 單質(zhì)的晶格在Tc保持不變的壓力區(qū)間內(nèi)收縮了17.3%,而Nb 的晶格收縮了17.8%.

圖5 單質(zhì)金屬Nb 和Ta 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的變化.數(shù)據(jù)引自[41,66,67]Fig.5.Pressure dependence of Tc for elemental Ta and Nb.The data were taken from Refs.[41,66,67] .

可見(jiàn),除上述高熵合金外,Ta,Nb 金屬元素和NbTi 合金也都表現(xiàn)出在一定壓力范圍內(nèi)晶格有較大收縮的情況下Tc保持不變的現(xiàn)象.隨之的問(wèn)題是這些Tc隨壓力保持不變的超導(dǎo)體有何特點(diǎn)或共性? 為何其晶體結(jié)構(gòu)的壓縮變化不影響Tc?

4 分析與討論

為了更好地理解抵御大變形超導(dǎo)體的共性,將具有抵御大變形超導(dǎo)電性的高熵合金(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33,(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4及NbTi 合金和單質(zhì)Nb 和Ta 金屬元素的Tc隨壓力的變化做了匯總,如圖6(a)所示.為了方便對(duì)不同材料進(jìn)行比較,使用體積收縮率(–ΔV/V0)作為變量.可以看出兩種高熵合金和NbTi 合金在壓力下表現(xiàn)出類(lèi)似的行為:Tc隨著體積壓縮有所升高,在體積達(dá)到一定的變形量后基本不變.隨后超導(dǎo)電性在一定的壓力范圍內(nèi)具有抵御大的變形而不發(fā)生改變的特性.圖6(a)中的箭頭表示RSAVS 狀態(tài)出現(xiàn)的臨界壓力(PC).對(duì)于(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4超導(dǎo)體,PC約為30 GPa (對(duì)應(yīng)體積收縮率–ΔV/V0約為15.5%),對(duì)于(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33超導(dǎo)體,PC為60 GPa (–ΔV/V0=21.6%),對(duì)于NbTi 超導(dǎo)體,PC為120 GPa (–ΔV/V0=34.7%),而對(duì)于單質(zhì)Ta 和Nb 超導(dǎo)體,PC為1 bar (1 bar=1×105Pa),也就是說(shuō)它們的Tc從常壓開(kāi)始就隨壓力保持不變.對(duì)于Ta 單質(zhì)來(lái)說(shuō),Tc隨壓力保持不變的區(qū)間為常壓至50 GPa.對(duì)于 Nb 單質(zhì)來(lái)說(shuō),Tc隨壓力保持不變的區(qū)間為常壓至 46 GPa.圖6(b)是這些材料所對(duì)應(yīng)的晶格結(jié)構(gòu).對(duì)于單質(zhì)來(lái)說(shuō),它們的晶格為體心立方結(jié)構(gòu).而對(duì)于高熵合金和NbTi 合金來(lái)說(shuō),兩種元素按照摩爾比隨機(jī)占據(jù)體心立方的晶格格點(diǎn).可見(jiàn),這類(lèi)超導(dǎo)體的共同點(diǎn)是都具有體心立方結(jié)構(gòu),而高壓 XRD 實(shí)驗(yàn)也證明這類(lèi)超導(dǎo)體在RSAVS 態(tài)下沒(méi)有發(fā)生晶格相變,這很可能暗示體心立方結(jié)構(gòu)所具有的晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性很可能是RSAVS 態(tài)出現(xiàn)的必要條件.

圖6 RSAVS 超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨體積的變化 (a)(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 和(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 高熵合金、NbTi 合金和單質(zhì)金屬Ta 和Nb 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)隨體積的變化.為了方便對(duì)不同材料進(jìn)行比較,采用相對(duì)體積變化率(–ΔV/V0)作為變量.圖中的箭頭表示RSAVS 狀態(tài)出現(xiàn)的臨界壓力(PC).對(duì)于(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 超導(dǎo)體,PC 約為30 GPa(對(duì)應(yīng)體積變化率–ΔV/V0約為15.5%),對(duì)于(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 超導(dǎo)體,PC 為60 GPa(–ΔV/V0=21.6%),對(duì)于NbTi 超導(dǎo)體,PC 為120 GPa(–ΔV/V0=34.7%),而對(duì)于單質(zhì)Ta 和Nb 超導(dǎo)體,PC 為1 bar.PE 和P*分別表示RSAVS 態(tài)的結(jié)束壓力和測(cè)量到RSAVS 態(tài)的最高壓力.(b)(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 和(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 高熵合金、NbTi 合金以及單質(zhì)Ta 和Nb 的晶體結(jié)構(gòu)示意圖,均為體心立方結(jié)構(gòu)[43]Fig.6.Superconductivity and crystal structure for the RSAVS superconductors.(a)The pressure-dependent change in the superconducting transition temperature (Tc)of the (TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 and (ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 high-entropy alloys,the NbTi alloy,and the elemental metals,Ta and Nb.In order to facilitate the comparison of the different materials,we use the volume shrinkage (–ΔV/V0)as a variable.Arrows in the diagram indicate the critical pressure (PC)where the RSAVS state emerges.PC is about 30 GPa [the corresponding volume (–ΔV/V0)change is about 15.5%] for the (ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 superconductor,60 GPa(–ΔV/V0=21.6%)for the (TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 superconductor,and 120 GPa (–ΔV/V0=34.7%)for the NbTi superconductor,while PC is 1 bar for the elemental Ta and Nb superconductors.PE and P* represent the end pressure of the RSAVS state and the highest pressure measured for the RSAVS state,respectively.(b)Sketches for the lattice structure of the (TaNb)0.67(HfZrTi)0.33 and(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4 high-entropy alloys,NbTi alloy,and elemental Ta and Nb,which all possess body-centered cubic structure [43].

人們圍繞關(guān)于RSAVS 超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生的原因開(kāi)展了一些探索性研究.例如,通過(guò)計(jì)算Ta 單質(zhì)、Nb單質(zhì)、NbTi 合金和高熵合金(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33費(fèi)米能級(jí)處的分波態(tài)密度在壓力下的演化[43],發(fā)現(xiàn)eg軌道在RSAVS 態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力區(qū)間內(nèi)的態(tài)密度保持不變,表明eg軌道與RSAVS 超導(dǎo)相有關(guān),并進(jìn)一步驗(yàn)證了eg軌道的超流密度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,表明對(duì)這種特殊的超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的超導(dǎo)電子來(lái)自于eg軌道.再有,通過(guò)對(duì)NbTi 合金的Tc隨壓力的演化行為的研究[78],發(fā)現(xiàn)高壓下聲子譜會(huì)發(fā)生軟化的現(xiàn)象,體現(xiàn)了體系中強(qiáng)的電聲耦合,并發(fā)現(xiàn)NbTi 合金的晶體結(jié)構(gòu)在壓力下會(huì)變得更均勻,認(rèn)為具有更加均勻的Nb 和Ti 原子排列的NbTi 合金可能是在高壓下出現(xiàn)RSAVS 態(tài)的原因.另外,在金屬Ti 的高壓δ 相(畸變的體心立方結(jié)構(gòu))中也發(fā)現(xiàn)了RSAVS 態(tài)的存在,并將δ-Ti 所對(duì)應(yīng)的RSAVS 態(tài)歸因于晶格壓縮導(dǎo)致的穩(wěn)定的強(qiáng)電聲子耦合作用[79].這些關(guān)于具有RSAVS 態(tài)的金屬和合金的電子結(jié)構(gòu)隨壓力的變化研究[43,78,79]對(duì)認(rèn)識(shí)該類(lèi)超導(dǎo)態(tài)形成的微觀機(jī)理進(jìn)行了有益的探究,值得進(jìn)一步深入研究.

5 總結(jié)與展望

我們發(fā)現(xiàn)具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)、由過(guò)渡族金屬元素構(gòu)成的高熵合金((TaNb)0.67(HfZrTi)0.33,(ScZrNbTa)0.6(RhPd)0.4)和NbTi 商用合金及單質(zhì)金屬元素Nb 和Ta 等超導(dǎo)體在一個(gè)較大的壓力范圍內(nèi)和相應(yīng)的較大晶體結(jié)構(gòu)變形下都表現(xiàn)出穩(wěn)定的Tc.我們將這類(lèi)在較大壓力范圍內(nèi)體積發(fā)生較大變化下Tc仍能夠保持穩(wěn)定的超導(dǎo)體稱(chēng)為“抵御大變形超導(dǎo)體”[70–75].

這種RSAVS 所具有的壓力響應(yīng)行為與銅氧化物超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體、傳統(tǒng)的BCS 超導(dǎo)體等的Tc壓力響應(yīng)行為明顯不同,表明RSAVS 可以被視為一類(lèi)壓力行為不同于高溫超導(dǎo)體或常規(guī)超導(dǎo)體的特殊超導(dǎo)體.

對(duì)銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體這類(lèi)由過(guò)渡族金屬元素與磷硫族元素構(gòu)成的超導(dǎo)化合物系統(tǒng)的高壓研究結(jié)果表明,這些超導(dǎo)體中的超導(dǎo)單元晶格特征參數(shù)的微小變化都會(huì)對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生決定性的影響[2,3,8–10,76,77],說(shuō)明這類(lèi)超導(dǎo)體中精細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)變化都會(huì)引起電子軌道、自旋等自由度相互作用狀態(tài)的變化,并對(duì)電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,進(jìn)而改變宏觀量子特性.對(duì)于不同高溫超導(dǎo)體,其在不同的壓力調(diào)制區(qū)間會(huì)表現(xiàn)出豐富的Tc的變化: 升高與下降、消失與再進(jìn)入等,展示了作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)體中相互作用的復(fù)雜性和可調(diào)制性(在壓力、摻雜、磁場(chǎng)等調(diào)制參量作用下).而對(duì)于相互作用以電聲耦合為主導(dǎo)的后過(guò)渡族金屬元素常規(guī)超導(dǎo)體,對(duì)壓力的響應(yīng)表現(xiàn)為T(mén)c隨壓力升高而下降.

RSAVS 超導(dǎo)現(xiàn)象的存在和上述的討論導(dǎo)致提出這樣幾個(gè)值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題: 一方面,對(duì)于某些具有非體心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金或簡(jiǎn)單合金及金屬元素或化合物是否也存在RSAVS 壓力響應(yīng)行為? 體心立方結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性是否是決定RSAVS 態(tài)的關(guān)鍵因素? 另一方面,過(guò)渡族金屬合金與過(guò)渡族化合物的壓力響應(yīng)行為在微觀起源上有何異同? 能否統(tǒng)一地理解什么因素決定了常規(guī)與非常規(guī)各類(lèi)超導(dǎo)體的Tc? 對(duì)于這些問(wèn)題的深入研究,進(jìn)而探究一個(gè)能統(tǒng)一回答這些問(wèn)題的理論框架,可能有助于最終實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)機(jī)制的再次統(tǒng)一.

感謝在本綜述中介紹的我們發(fā)表的RSAVS 文章的合作者(按姓氏拼音排序)蔡樹(shù)博士、Fabian von Rohr 博士、蔣升研究員、黃程博士、Karoline Stolze 博士、劉凱博士、李?lèi)?ài)國(guó)研究員、李延春研究員、李曉東研究員、盧仲毅研究員、Robert J.Cava 院士、孫萬(wàn)碩研究員、王紅紅博士、王哲博士、王秋良院士、翁紅明研究員、向濤院士、郗傳英研究員、楊科研究員、張建豐博士、周亞洲副研究員、張昌錦研究員、張?jiān)：阍菏康仍谙嚓P(guān)研究中做出的重要貢獻(xiàn)! 感謝上海光源和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所同步輻射裝置及合肥強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)行團(tuán)隊(duì)對(duì)我們相關(guān)高壓實(shí)驗(yàn)的支持!