日期：
来源：科学百晓生收集编辑：SSC
▲第一作者：Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, Dylan Durkee
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0在环境温度和压力条件下的超导材料所表现出的无电阻状态将具有巨大的应用潜力。尽管经过几十年的紧张研究，这样的状态还没有被实现。在环境压力下，铜酸盐是有可能表现出超导性的一类材料，其最高临界超导转变温度（Tc）可达约133K。在过去的十年中，以氢为主的合金的高压 “化学预压缩”引领了对高温超导性的探索。在兆bar压力下，二元氢化物的Tc接近于水的冰点。三元富氢化合物（如碳质氢化硫）则提供了更大的化学空间，有可能改善超导氢化物的特性。本研究报告了一种氮掺杂的镥氢化物的超导性证据，它在10 kbar（一万个大气压）时的最大Tc为294K，也就是说，其在室温和近环境压力下具有超导性。该化合物是在高压高温条件下合成的，在完全恢复后本研究关注了其材料和超导特性与压缩的关系。这包括在有和没有外加磁场的情况下随温度变化的电阻，磁化（M）与磁场（H）的曲线，交流和直流磁感应强度，以及热容测量。X射线衍射（XRD）、能量色散X射线（EDX）和理论模拟为合成材料的化学计量提供了一些见解。然而，需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的确切化学计量，以及它们各自的原子位置，以进一步了解该材料的超导状态。1、镥-氮-氢三元系的近环境超导稳定区从约3 kbar扩展到约30 kbar(图1a)，并伴随着仅在几kbar压力范围内的显著视觉转变(图1b)。恢复的样品最初是非超导金属相，具有蓝色光泽，这里表示为相I。压缩到约3 kbar时系统进入相II，进入超导状态，这种转变与颜色从蓝色到粉红色的突然变化有关。通过电阻、磁化率和热容测量确定的 Tc 随压力的增加而增加，从 171 K 在大约 5 kbar 时增加到在 294 K 处达到峰值（大约 10 kbar）。2、在超导穹顶的10 kbar转折点之后，在约30 kbar之前，Tc降低到约200 K。在图1a所示的最高压力Tc以上的压缩促使样品通过另一个相变进入第三相。第三相是一种非超导金属状态，其颜色再一次变化，外观为鲜红色。这里的颜色变化仅针对反射光，而样品对于透射光是完全不透明的。▲图2|镥-氮-氢系统的温度依赖性和场依赖性电阻和V-I曲线1、第II相的超导转变表现为在几开尔文温度变化内电阻急剧下降（图2a）。本研究在自然变暖循环（约0.25 K min−1）期间，在100 μA至2 mA的电流下获取温度依赖性电阻数据。温度探头的精度为±0.1 K，转变温度是从超导开始时确定的。在所有实验中，报告的压力都是使用红宝石荧光测量的。正如在其他高Tc氢化物系统中观察到的那样，零外加磁场中的跃迁宽度具有0.005至0.036的ΔT/Tc值，这些特征在GL理论所描述的dirty limit内很容易解释。2、V-I关系是与四探针电阻法同时测量得到的。图2b显示了在零磁场下测得的电流稳步增加时的V-I特性。在高于超导转变温度(T = 297 K > TC = 294 K)的温度下，在10 kbar处观察到了符合欧姆定律的线性V-I响应。当在相同压力下将温度降低到Tc(T = 30 K)以下时，压降非常低(基本上为零)，并且表现出非线性的V ∝ I3(2.84)响应。超导材料的另一个关键标准是迈斯纳效应的证明。在I型超导体中，这在原则上应该等同于临界场以下的完美抗磁性，而在II型超导体中，在下临界场以下存在完美抗磁性，在上下临界场之间存在涡旋态。本研究采用振动样品磁力计（VSM）方法在量子设计物理性质测量系统（PPMS）上测量了不同温度下磁矩和M–H曲线的温度依赖性。图3a显示了在60 Oe的零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）条件下，直流磁化率（χ = M/H，其中M是磁化，H是磁场）与温度的函数关系。然后通过测量磁场中冷却的迈斯纳效应证实了超导相的存在。使用带有VSM选项的PPMS记录M-H数据，本研究在约277 K和约8 Kbar处观察到明确的迈斯纳效应。使用HMD高压室和瑞香油作为施压介质。与DAC相比，在HMD高压单元中所能达到的最大压力要低得多。使用众所周知的超导转变作为测试案例，本研究发现在平台下降沿的较高频率值为测量提供了最干净的响应。在Tc以上的频率扫描很容易识别平台的下降沿，在15 kbar的合成热容表明在32 K的比热容量明显不连续。在第II相的超导稳定区域中重复这一过程产生显示明显不连续的比热容曲线(图4a-c)。以这种方式确定的Tc值与通过电阻和交流得到的值非常相似。磁化率可用于确定转变的体积性质和超导穹顶的形状，如图1a所示。用这种方法观察到的最高Tc为292 K，压力约为10 kbar。这些测量也受样本大小的影响，这里的典型样本直径约为60-100 微米。本研究用元素分析和能谱分析相结合的方法，在常压下对合成的样品进行了元素分析和能谱分析，确定了超导三元化合物的组成。化合物A的指数为Fm3m，晶格常数为 = 5.0289(4) Å，而化合物B的晶格常数为 = 4.7529(9) Å，这两个指标都分别表示了镧系氢化物和氮化物化合物 (图5a)。已知并报道了一种岩盐(RS)结构，其晶格常数为 = 4.76 Å，非常类似于在此测量的化合物B。显然，需要最先进的实验来确定掺氮氢化镥和类似材料的确切晶体结构和化学计量比，这些材料显示出这种高温超导状态。计算机模拟支持的中子衍射和X射线光谱等技术最有可能提供一条直接研究掺杂金属氢化物的轻元素含量和建立其化学环境的可靠原子描述的途径。更详细的结构描述符将使这些非化学计量金属氢化物的理论建模成为可能，并提高理论理解。一个重要的区别是，即使在环境条件下，对于这些氢化物，X射线衍射依然无法令人满意，这是本研究团队在之前的碳质氢化物相关的工作中已经强调的这种技术的一个缺点。总之，这项研究最显着的结果是在10 kbar下Tc为294 K的N掺杂氢化镥中观察到的近环境超导态的证据。根据测量的X射线衍射谱和拉曼光谱，所观察到的超导性质很可能归因于Fm3m LuH3−δNε，对于这种超导性质，其使用不同的非化学计量值来指示N-取代和H-空位缺陷的可能性。用磁场相关的电阻、磁化率和热容测量可以更好地约束N掺杂的超导氢化物的物理性质。虽然所有其他高温超导金属氢化物都是在数兆bar压力条件下观察到的，但本研究在10 kbar（1万个大气压）下发现的21℃超导材料肯定会导致一个新的材料科学领域的出现，因为高压物理领域以外的众多新研究人员更容易获得这样的条件。 值得一提的是，这不是Dias第一次报道室温超导。早在2020年，Dias课题组就曾在Nature上发表室温超导成果，但该论文在2022年被撤稿。今日，Dias课题组带着室温超导的最新研究成果卷土重来，再次登上Nature！