钽基富氢新材料研制和高压超导性的发现

图1.钽基富氢材料展示30 K的高压超导转变。

高压富氢化合物的理论预测和实验发现引发了对新型富氢化合物材料和超导的研究。目前实验报道的富氢化合物超导集中在稀土、碱土和主族元素（P、S以及Sn等）上，靳常青团队近期相继独立发现Tc = 210 K的钙基富氢超导材料CaH6(Nature Comm 13, 2863(2022))、首个4d二元富氢高温超导材料ZrH6(Sci Bull 67, 907(2022))、首个5d二元富氢高温超导材料HfH14(Mat Today Phys 27, 100826 (2022))和重稀土金属二元富氢高温超导材料Lu4H23(Sci China-Physics Mech & Astr 66, 267411(2023))。

图2.钽基富氢材料的超导转变温度随磁场增加逐渐降低。

近期，靳常青研究员指导博士生何鑫、张昌玲等人在VB过渡元素富氢化合物的新材料研究取得了新进展。运用先进的超高压金刚石压砧实验技术，在197 GPa 高压和2000 K的高温成功制备高质量的钽基富氢材料，并发现该样品具有Tc为30 K高压超导转变(图1)。外加磁场，超导转变向低温区移动，这和超导现象一致(图2)。根据Tc随磁场的演化，估算上临界场约为20 Tesla，对应金兹堡~朗道相干长度约40 Å。他们与APS线站和高科刘浩哲研究员团队合作开展高压结构表征实验，图3为样品高压衍射图谱，结果显示样品的超导性质来源于立方相的TaH3。由于Ta金属失去电子能力显著小于碱土金属、稀土金属和IVB族金属，因此高压下制备氢化物样品的氢含量较小，导致氢金属化的超导温度偏低。该项研究进一步拓展了富氢高温超导材料的范畴，为高温超导机理研究提供了新素材。

图3.钽基富氢材料样品高压x光衍射图及可能结构精修。

相关研究成果发表在Chinese Physical Letters 40, 57404(2023) (Express Letters)上，靳常青、望贤成和王鲁红为共同通讯作者，博士研究生何鑫和张昌玲为共同第一作者。研究工作得到了得到基金委、科技部和中科院项目的资助。