四方FeS—高压下的双超导相

北京高科知社学术圈 2019-03-29

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自被发现以来，超导一直是科学界研究的重要内容之一，随着科技的进步和发展，超导的研究也越发的多样化，而提高超导转变温度，寻找潜在的室温超导体是科技工作者一直以来梦寐以求的最高理想。近期，北京高压科学研究中心的杨文革研究员小组和上海复旦大学的李世燕教授研究小组携手合作，通过金刚石对顶砧的实验方法模拟地球内部压力对四方FeS超导体的高压输运性质进行了一系列的研究。研究团队发现，四方FeS随压力表现出“超导—超导消失—超导再现—超导消失”的双超导相行为，且新超导相的超导转变温度提高了30%，这一研究成果发表在9月1日的《NPJ Quantum Materials》上。

通常意义上来讲，超导，也就是超导电性，指的是材料的电阻率为零，电流流经材料的时候不会产生焦耳热效应，故而不会发生能量损耗。这个性质使得超导材料在很多领域有重要应用，比如做成电线，能实现电能的无损传输；再比如绕成线圈，产生超强磁场的情况下不发热，并且电能损耗极低。当然，超导材料使用的限制也非常明显，那就是现有材料的超导转变温度（T_c）很低，实际运用中需要很大的成本维持低温。因而，在物理学界，进一步理解超导机理，提高材料T_c，最终找到室温超导材料一直是物理学家的一个梦想。

a：相变压力附近的四方相，六方相的百分比伴随压力的变化；b：FeS的温度-压力相图。

继铜基高温超导之后，因独特能带结构与T_c极易调控的特性，铁基超导体在物理学界再次掀起了一波研究热潮。其中，以结构最简单的四方FeSe为代表的“11”体系最受关注，而其在压力调控下能极大地提高T_c的相关研究相当令人振奋。由于在元素周期表上S和Se处于同一主族，与四方FeSe结构类似的四方FeS因其超导电性的发现引起了人们的极大关注。众所周知，自然界中的FeS存在四方和六方这两种结构，六方FeS是一种丰富的地球内部矿物材料（磁黄铁矿），是一种典型的半导体。而四方FeS材料在Fe和S的原子比严格1:1情况下呈现出超导电性，但在非严格化学计量比情况下，多出来的Fe或者S会破坏超导电性。于是，该研究团队将压力调控的研究对象锁定到了人工水热法合成的高质量四方FeS单晶。

通过高压低温电阻测量实验，该研究团队发现，四方FeS在常压下呈现出的超导电性会被压力作用快速抑制，当压力慢慢增加到4.0万大气压时，超导转变会消失；而继续对四方FeS施加压力，在5.0万大气压以上，超导转变又会再次出现，直到22万大气压左右，超导转变才消失。新的超导相的最大T_c从原始超导相的4.5K提高到了6K，增幅逾30%。而高压X射线衍射实验结果表明，原始的四方结构相会在7万大气压附近开始逐渐转变成六方结构相，期间仍有一部分残余的四方相弥散分布于六方相内部。而这部分弥散分布的残余四方相受压力的影响，呈现出了第二个新的超导相，并存在于一个比较宽泛的压力区间，直到该残余四方相全部消失。后续国际同行的第一性原理计算研究结果表明，四方FeS在压力调控下的两个超导相转变可能与四方FeS在压力作用下费米面的拓扑结构变化有关。