于偉強(qiáng)課題組在鐵基材料中通過氫化誘導(dǎo)出高溫超導(dǎo)相
近日，中國人民大學(xué)物理系于偉強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)物理系于浦副教授團(tuán)隊(duì)合作，首次借助離子液將氫離子插入到一些鐵基結(jié)構(gòu)材料中，并誘導(dǎo)出高溫超導(dǎo)相。該研究成果以 “Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”為題在Science Bulletin 2018年第一期作為封面文章刊發(fā)【1】。鐵基超導(dǎo)最早發(fā)現(xiàn)者Hideo Hosono 教授同期撰文對該工作亮點(diǎn)推薦【2】。
在金屬絕緣體相變和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體研究中，通過化學(xué)取代的方法來調(diào)控載流子中具有重要的意義。通過離子液和電場對材料進(jìn)行物性調(diào)控的方法最近在物理和材料科學(xué)中得到迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于電池、智能玻璃、燃料電池等領(lǐng)域。
具體氫植入的方法是將樣品放在離子液中，使用直流電源提供3V偏壓（左圖）。樣品連接到負(fù)電極，大量的氫離子聚集在樣品表面并擴(kuò)散到樣品中。去掉偏壓和離子液后，氫離子仍然存在于樣品內(nèi)，從而可以進(jìn)行各種物性研究。通過氫植入在BaFe2As2中產(chǎn)生20 K超導(dǎo)，在FeSe0.93S0.07中產(chǎn)生20 K和42.5 K超導(dǎo)，在FeS中把超導(dǎo)溫度從4 K提升到18 K。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氫核磁共振研究，揭示了這些材料中的一些非常規(guī)超導(dǎo)性質(zhì)（右圖）。
因此，該材料氫化方法產(chǎn)生雙重作用。首先從物性的角度，氫植入提供了載流子摻雜，為材料的物性調(diào)控提供了一種全新的手段，是化學(xué)摻雜和外加應(yīng)力等方法的重要補(bǔ)充，預(yù)期可以推廣到多種金屬-絕緣體相變和超導(dǎo)材料的探索中。第二，從技術(shù)的角度，這種實(shí)驗(yàn)方法易操作，尤其適合塊材材料，氫植入的非易失性也適合豐富的譜學(xué)研究。尤以核磁共振為例，該方法提供了氫作為敏感的核磁共振同位素，為核磁共振同位素自然豐度低的材料提供了研究可能。
南京大學(xué)聞海虎研究組，北京大學(xué)李源研究組和中國科學(xué)院物理研究所羅會(huì)仟研究組為該工作提供了高質(zhì)量的單晶材料。該工作得到了中國國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)技術(shù)部的支持。
參考文獻(xiàn)：
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【2】 Hideo Hosono, Superconductivity induced by field-driven proton injection.?Science Bulletin 63, 5 (2018).
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