Physical Review B | 三維碳結(jié)構(gòu)中被預(yù)測存在100 K以上的常壓高溫超導(dǎo)電性
近來，常壓高溫超導(dǎo)電性受到了研究人員的廣泛關(guān)注，特別是在輕質(zhì)元素體系中探索常壓高溫超導(dǎo)電性引起極大的研究興趣。
2025年2月26日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所光子信息與能源材料研究中心鐘國華團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)林海青院士和美國休斯頓大學(xué)陳曉嘉教授合作，在Physical Review B上發(fā)表了題為“Ambient-pressure high-temperature superconductivity exceeding 100 K in three-dimensional carbon structures”的研究成果。該研究報(bào)道了團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一種新型三維碳結(jié)構(gòu)，并預(yù)測通過氫原子調(diào)控獲得了常壓下臨界溫度（Tc）超過100 K的高溫超導(dǎo)電性。這是近年來團(tuán)隊(duì)報(bào)道在氫調(diào)控的立方氮化硼和金屬調(diào)控的碳籠網(wǎng)格中存在超過100 K常壓高溫超導(dǎo)電性后取得的又一創(chuàng)新性研究成果。
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文章上線截圖
高溫超導(dǎo)是近年來物理學(xué)界非常火爆的話題之一，常壓高溫超導(dǎo)的概念也逐漸被人們熟知。這里涉及到兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，一個(gè)是常壓，就是指我們所處的常規(guī)生活環(huán)境壓力；一個(gè)是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc。對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)然是在常壓和近室溫的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能應(yīng)用成本越低，但是目前還沒有這樣的材料被發(fā)現(xiàn)。退而求次，由于技術(shù)條件的進(jìn)步，目前液氮沸點(diǎn)（77 K，記為TN）這一低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)變得相對(duì)比較容易，因此探索常壓下Tc高于TN的高溫超導(dǎo)材料變得非常有意義。
不同于銅基、鐵基和鎳基超導(dǎo)體等重元素主導(dǎo)的材料體系，本研究中作者基于粒子群優(yōu)化算法搜索低焓晶體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)得到了一種常壓下穩(wěn)定的新型三維碳結(jié)構(gòu)體系，這是一個(gè)全部由輕質(zhì)元素組成的體系。盡管垂直與晶軸c方向可以觀察到石墨烯的結(jié)構(gòu)特征，但是碳-碳原子之間卻是形成sp3雜化的三維網(wǎng)格特征。氫原子以孤立原子的形式鑲嵌在間隙位置。最終形成的晶體為具有P63/mcm空間群的三維碳結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為HC6。
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氫調(diào)控的三維碳結(jié)構(gòu)P63/mcm-HC6的晶體特征：不同方向觀察晶體單胞（上）和超胞特征（下）
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沒有氫原子存在的時(shí)候，常壓下，三維碳結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了寬帶隙的絕緣體特征。在適當(dāng)濃度的氫原子調(diào)控下，三維碳結(jié)構(gòu)的P63/mcm-HC6展現(xiàn)了金屬化性質(zhì)，兩條碳?xì)潆s化后的能帶闖過費(fèi)米能級(jí)，形成空穴、電子型費(fèi)米面，展現(xiàn)了范霍夫奇異性，這在費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)致了大的電子態(tài)密度。氫對(duì)三維碳結(jié)構(gòu)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
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電子結(jié)構(gòu)特征：純碳結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度（上）、HC6的特征能帶結(jié)構(gòu)和電子投影態(tài)密度（中）、HC6的費(fèi)米面特征
從聲子譜中可以看到，氫的引入使低頻聲學(xué)模沿倒空間Γ-M-K-Γ方向產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象，電-聲耦合也主要是由這一部分聲子貢獻(xiàn)。最終在氫調(diào)控下的三維碳網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了較大的費(fèi)米能級(jí)電子態(tài)密度值和強(qiáng)的電-聲相互作用，從而導(dǎo)致了P63/mcm-HC6在常壓下展現(xiàn)出Tc?= 107 K的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。這種新型碳結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)碳結(jié)構(gòu)（如金剛石、石墨、石墨烯、碳納米管和足球烯）。
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聲子和超導(dǎo)參數(shù)：純碳結(jié)構(gòu)的聲子譜和聲子態(tài)密度（上）、HC6的聲子譜、聲子態(tài)密度和電聲耦合參數(shù)（下）
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超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比較和類似的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
該研究不僅預(yù)言了一種常壓下的新型碳結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)體，也指出了具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的碳基和類碳基體系是探索常壓高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的一個(gè)重要研究方向。同時(shí)，碳材料被認(rèn)為是未來的“芯”材料，已經(jīng)在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了其獨(dú)特的性能優(yōu)勢。常壓高溫超導(dǎo)電性，尤其是超過液氮溫度的常壓高溫超導(dǎo)電性的碳材料研究更是會(huì)助力其在能源、信息電子和醫(yī)療等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
鐘國華研究員和林海青教授、陳曉嘉教授為本文的共同通訊作者，深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的李申奧為本文的第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助支持。
