近期,高壓下發(fā)現(xiàn)的系列富氫化合物高溫超導(dǎo)體刷新了超導(dǎo)材料臨界溫度(Tc)的最高紀(jì)錄,開(kāi)辟了高溫超導(dǎo)研究的新方向,成為目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究前沿?zé)狳c(diǎn)。目前,已合成的氫化物高溫超導(dǎo)體主要分為兩大類(lèi),即以SH3為代表的共價(jià)鍵型氫化物和以L(fǎng)aH10為代表的氫籠型化合物(其中氫原子以共價(jià)鍵形成籠型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),而被廣泛研究的分子型氫化物由于H2分子單元對(duì)費(fèi)米面附近態(tài)密度貢獻(xiàn)很小,尚未發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性。
最近,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的程金光研究員團(tuán)隊(duì)在分子型氫化物高溫超導(dǎo)體的超高壓合成與高溫超導(dǎo)研究方面取得新進(jìn)展。他們利用自主搭建的原位高溫高壓激光加熱系統(tǒng)和高壓低溫電輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng),選取Bi-H作為研究體系,以氨硼烷和金屬鉍作為原料,經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)探索,在170-180 GPa、~2000K的高壓高溫條件下合成了一種新型的鉍氫化合物。他們通過(guò)原位高壓下的同步輻射X射線(xiàn)衍射結(jié)合CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索技術(shù),確定該化合物為具有C2/c空間群的BiH4,其中氫原子以H2分子單元形式存在,最短的H-H鍵長(zhǎng)~0.81?。原位高壓電學(xué)測(cè)量結(jié)果表明,BiH4在170GPa下的Tc高達(dá)91K,創(chuàng)造了分子型氫化物超導(dǎo)體的Tc最高紀(jì)錄。不同于SH3和LaH10等共價(jià)及籠型氫化物超導(dǎo)體,理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)BiH4中的高溫超導(dǎo)電性主要?dú)w因于H2分子的中頻振動(dòng)和Bi原子的低頻振動(dòng)。本工作中首次合成和發(fā)現(xiàn)的BiH4高溫超導(dǎo)體,不僅刷新了分子型氫化物超導(dǎo)體的Tc紀(jì)錄,也為設(shè)計(jì)合成更多樣的氫化物高溫超導(dǎo)體提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“Molecular Hydride Superconductor BiH4?with?Tc?up to 91K at 170GPa”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 147, 4375 (2025)?,且入選當(dāng)期Supplementary Cover, 物理所博士生單鵬飛(現(xiàn)為北京高壓科學(xué)中心博士后)、北京高壓科學(xué)研究中心博士后楊欣為論文共同一作,鄭州大學(xué)馬良副研究員為共同一作及共同通訊作者,物理所程金光研究員為論文共同通訊作者。物理所王鉑森研究員、孫建平副研究員、楊芃燾副主任工程師、劉子儀副研究員、趙忠賢院士、鄭州大學(xué)郭海中教授、北京高壓科學(xué)研究中心緱慧陽(yáng)研究員、丁陽(yáng)研究員、林傳龍研究員等共同參與本工作。該工作使用了上海光源(SSRF)、北京光源(BSRF)、日本Spring-8同步輻射光源、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)和武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置(WHMFC)等大科學(xué)設(shè)施并得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/jacs.4c15137

圖. 分子型氫化物BiH4的結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等物性的示意圖。