吉林大学《Nature》子刊：大幅提升合金超导临界温度！

在中等压力下提高超导超氢化物的临界温度Tc，是当前超导超氢化物研究的一个热点。

日前，来自吉林大学的研究者报告了一项发现，通过La随机取代一半Ce获得CeH9中的Tc的巨大增强，获得由最大构型熵稳定的等原子(La,Ce)H9合金，包含纯复合形式不稳定的LaH9单元。相关论文以题为“Giant enhancement of superconducting critical temperature in substitutional alloy (La,Ce)H9”发表在Nature Communications上。

海克·卡梅林·昂内斯惊人地发现，当液氦冷却温度降至几开尔文时，水银的电阻就会消失。自那以后，这种被称为超导的奇异量子现象，就引起了人们对基础科学探究的极大兴趣，并激发了人们对从探测微弱磁信号到产生强磁场等各种应用领域的巨大努力。长期寻求的首要目标是找到具有足够高的超导临界温度(Tcs)的材料，以促进实验探索和实际实施，最终实现环境应用。

多年来，对室温超导体的研究一直是凝聚态物理学中最具吸引力和挑战性的课题之一；显著的进展包括在环境压力下实现液氢和液氮温度范围内的Tc材料，使其更容易在先进设备中使用超导体。最近，当Tc接近甚至超过室温时，人们预测了一类富氢化合物(称为超氢化物)在极端压缩下的超导性。理论预测和实验合成导致了共价SH3中Tc为203 K，离子LaH10中Tc为250-260 K的超导体的发现，在150-200 GPa之间的高压下获得。据报道，在成分和结构未知的C-S-H体系中，在270 GPa左右的超高压力下获得了288k的Tc，但这引起了激烈的争论，仍有待确认。

同时，受高温超导CaH6的预测启发，大量后续研究建立了一个大的包合物超氢化物家族，包括CaH6、YH6、YH9、CeH9、CeH10和LaH10，这些超氢化物由一系列不同的氢笼组成，中心由各种金属原子锚定。这些二元化合物的不同结构和组成形式，为探索材料参数以优化能态和超导态提供了平台。系统研究表明，金属原子的原子半径、电负性和价电子，对超氢化物最受关注的性质，即超导性和稳定性起着重要的调节作用。在这些离子超氢化物中，尽管其Tc非常高，但LaH10仍面临着苛刻的合成压力(>150 GPa)的问题;而CeH9或CeH10具有相对较低的Tc(95-115 K)，可在兆巴压力下合成。如何在合成适中、压力稳定的情况下提高这些超氢化物的超导性能，是目前这一研究领域的迫切挑战。

二元超氢化物在构型空间中受到高度限制，结构和成分变化有限。为了拓展材料领域，近年来相关研究的重点转向了自由度更高的三元体系，这为超导超氢化物筛选提供了数量更多、种类更丰富的结构原型。该方法的潜力在一项理论工作中得到了证明，Li掺杂将一个额外的电子引入到MgH16中的分子类氢中，从而生成原子类氢，形成的三元Li2MgH16，在250 GPa时具有473 K的Tc。此外，理论研究还设计了XYH8、Ca-Y-H和Ca-Mg-H等一系列三元超氢化物，预期具有良好的高Tc特性或前景。然而，关键在于找到在中等压力下(接近或低于兆巴)具有高温超导性的三元超氢化物。

稀土金属具有相似的电负性、电子构型和原子半径，容易形成无序固溶体合金。这为使用适当选择的二元化合物作为基模板，来构建具有相同晶体结构的三元合金超氢化物提供了一条可行的途径。已有研究表明，在170-196 GPa的压力下，La-Y合金氢化物中确实出现了在实验上无法在二元体系中达到的LaH6和YH10单元，尽管超导性没有改善。探索立方La-H和六方紧密填充(hcp) Ce-H体系，寻找一个理想的三元平台，用于在较低压力下稳定的材料中进行高温超导的实验实现，是非常有意义的。

在此，研究者通过实验探究了La-Ce合金超氢化物的晶体结构、超导性和稳定压力范围。以等原子的La-Ce合金和氨硼烷(NH3BH3)为原料，在110 GPa和2100 K的合成条件下，得到了金属原子占用率基本相等的取代(La,Ce)H9。合成的三元合金在减压过程中保持在至少90GPa。与二元CeH9相比，三元(La,Ce)H9中的Tc显著增加了高达80 K，其中包含了一个前所未有的LaH9单元，该单元在纯化合物形式中不稳定，但在碱二元CeH9结构框架中稳定。这种非典型的组成结构单元，以及La取代Ce可能的Abrikosov-Gor’kov抑制效应的降低，对三元(La,Ce)H9合金Tc的增强有重要影响。目前的研究结果表明，替代合金化可以有效地调节和改善超氢化物中的高温超导性，它稳定了新的和不寻常的结构和成分构型，有助于大大增强Tc；与此同时，这种方法可以扩展到构建更多的三元和更高的多元合金，通过对替代合金金属元素组合的精心选择，在寻找最佳包合物超氢化物的探索中带来更多突破性的发现。（文：水生）

图1 单胞3和单胞4中含有NH3BH3 (AB)和Au电极的样品室在激光加热前后的光学显微图。

图2 由La-Ce合金和NH3BH3合成的(La,Ce)H9的结构数据。

图3 典型电池中由电阻率测量确定的超导跃迁。

图4 P63/mmc-(La,Ce)H9的Tc与压力的关系。

图5 合成的(La,Ce)H9在外加磁场中的电测量。

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