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科研進展

深圳先進院在新型高溫超導材料探索和超導機理研究方面取得重要進展

時間:2019-03-26  來源:材料所(籌) 鐘國華 文本大小:【 |  | 】  【打印

  320日,中國科學院深圳先進技術研究院材料所(籌)光子信息與能源材料研究中心鐘國華副研究員與上海高壓科學研究中心陳曉嘉教授及北京計算科學研究中心林海青教授在新型有機高溫超導材料研究領域獲得重要進展,理論預言指出在電子摻雜下最小的芳香環單元也是一種具有超導電性的材料,并基于大量的計算數據揭示了芳香有機超導體的超導電性規律和增強機制。相關成果以Superconductivity and its enhancement in polycyclic aromatic hydrocarbons(稠環芳香碳氫化合物的超導電性和它的增強)為題發表在權威期刊Frontiers in Physics(《物理學前沿》,2019DOI10.3389/fphy.2019.00052)上。 

  有機材料一直被認為是最有可能實現室溫超導的材料之一,近年來先后在稠環和聯苯的芳香材料中發現了超過30K120K的高溫超導電性,這預示著在有機化合物中實現室溫超導的可能性大大增加,國內外研究人員迅速開展了大量的實驗和理論研究。但是,隨著研究的深入,人們發現這類超導體的機理和最本質的特征仍是不知道的,比如:芳香體系的基本單元是苯環,電子摻雜下單個苯環體系是否具有超導電性?另外,在多苯環體系中還發現了多種溫度的超導相共存現象,以及隨著苯環數的增加體系中最高超導項目溫度也會劇增,那么這些現象產生的機理或者機制什么? 

  為解決上述問題,鐘國華與其合作者通過第一性原理的理論方法研究了鉀摻雜苯的晶體結構、熱力學穩定性和電聲子特征,指出芳香體系的基本單元----苯也具有超導電性;研究人員通過鉀摻雜不同芳香體系,進一步發現所研究的芳香化合物中都存在一個普適的低溫超導相(超導溫度在5-7K范圍),這與苯的超導電性恰好吻合,且四苯環以下體系只含有這個低溫超導相,而在五環以上的多苯環體系中卻可以存在多個超導相共存的現象。研究人員通過穩定性、電聲子特征和電子交換關聯效應等數據結果指出低溫超導相來自于2電子摻雜引起的電聲調制,而高溫超導相由3電子摻雜引起的強電-聲相互作用和電子-電子關聯效應共同驅動。研究人員進一步發現低溫超導相是該芳香有機材料的本征相,并在聯苯類體系中也被證實,相對于高溫超導相,低溫超導相更易于在實驗中制備。相關研究結果系統地揭示了芳香有機超導體的規律和本質,對于探索新型高溫超導體具有重要的指導意義。 

  該研究得到國家自然科學基金委及其聯合基金和深圳市基礎研究布局等項目的資助支持。 

1. 不同芳香化合物的超導轉變溫度Tc,這里n代表了芳香分子中的苯環個數。

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