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曲阜师大高压科学研究团队在国际顶级学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表最新研究成果

曲阜师大科技处讯 目前,澳门尼威斯人网站8311物理工程学院刘晓兵教授团队与美国内华达大学陈长风教授、吉林大学马琰铭教授、东南大学施智祥教授、中科院物理所郭建刚研究员等学者合作,在“Lu-N-H体系中潜在近常压室温超导”研究方面获得新进展。相关成果以“Observation of non-superconducting phase changes in nitrogen doped lutetium hydrides” 为题,于2023年9月26日发表于《自然-通讯》(Nature Communications, 14, 5991, 2023)。澳门尼威斯人网站8311为本论文的第一署名单位和唯一通讯单位,物理工程学院青年副教授邢相灼博士为论文的第一作者,王超副教授为共同第一作者,刘晓兵教授为论文的独立通讯作者。


超导材料在一定温度下具有零电阻和完全抗磁性的奇特性质,在能源、信息、医疗、国防、重大科学工程等方面具有广阔的应用前景。目前已发现的超导体都需要在极低温环境下才能出现超导电性,走向实际应用受到极大的制约,如何实现室温超导是科学界和产业界最大的科学挑战之一。近年来,随着国际高压科学技术的发展,科学家在以H3S和LaH10等为代表的富氢化合物中发现了转变温度超过200 K的超导特性。2020 年,美国罗彻斯特大学Ranga Dias 团队发表 Nature 封面文章,宣称在 267 GPa、287 K(约 15 度)的条件下在碳-硫-氢(C-S-H)体系实现了高压室温超导。2022 年 9 月,因为存在的巨大争议被Nature撤稿。2023年3月8日,Dias团队再次在Nature上发文宣称,在氮掺杂的镥氢化合物(Lu-N-H)中成功实现近常压(1GPa,约1万个大气压)下的室温超导电性(294 K,约为21℃),引发全球科学界和产业界的广泛关注与巨大争议。该体系在压力作用下出现蓝色到粉色再到红色的罕见颜色变化,文中宣称的“室温超导现象”仅在粉色区出现,其高压下的颜色变化机理与超导特性之间的关联有待进一步的探索。

图a:LuH2±xNy材料在高压下呈现出蓝色-紫色-粉色-红色的颜色演化行为。图b:样品在不同传压介质中的颜色变化区间。图c:通过掺杂纳米钻石引入剪切应力,显著降低颜色变化所需的压力条件

2023年4月,澳门尼威斯人网站8311高压科学研究团队利用高温高压技术成功制备出大尺寸、高质量的LuH2±xNy样品,并对其晶体结构、元素组分、化学键等特性进行了系统探究,结果表明该样品的颜色、结构及氮含量与Dias所声称的室温超导相完全一致。本工作结合金刚石对顶砧原位实验测试技术与第一性原理计算,得到了氮元素在镥化氢结构中以原子替代与NH基团进入的理论模型,揭示了Lu-N-H体系在不同应力环境下的颜色变化规律,并发现了该体系在压力下存在的紫色新相与高温环境下的绿色新相。

高压下原位电输运测试表明LuH2±xNy样品在整个颜色变化区间(0 GPa - 38GPa)、300 K - 1.8 K温度范围内不存在超导信号,表明颜色变化与“室温超导电性”并无直接关联。研究团队进一步排除了Dias团队样品中所存在第二相LuN1-δHε对颜色变化与超导转变的影响。值得注意的是,在粉色相范围内,LuH2±xNy样品的升温电阻-温度曲线在高温区出现与Dias团队原始数据(扣除实验背景前)相似的电阻异常特征,即在特定环境温度下出现电阻的突然降低,这一现象容易被误解读为超导转变信号。本工作发现电阻异常存在的压力范围和LuH2结构中N/NH相关的振动模式变律表现出高度一致性,结果表明电阻突变主要来源于压力驱动下N/NH与H空位之间的电子转移过程,这一结果为深入探究Lu-N-H体系高压下的颜色与结构相变提供了新思路。

图为LuH2±xNy材料在不同压力下的升降温电阻-温度曲线

澳门尼威斯人网站8311高压物理与材料科学(HPPMS)研究团队围绕极端条件凝聚态物理与材料科学,主要从事高压技术开发与新型超硬、超导、热电等材料设计及应用开发研究。近五年,团队共发表Nat. Commun.、PNAS、Angew. Chem.、J. Am. Chem. Soc.等高水平学术论文80余篇,主持国家自然科学基金10项(面上3项、青年7项),山东省自然科学基金及其他项目15项(包括泰山学者3项、杰出青年1项、优秀青年2项等),多项科研成果实现技术转让与产业化。指导学生获山东省优秀研究生成果奖4项(包括一等奖1项),6人获国家奖学金,3人获山东省优秀毕业生,1人获山东省优秀硕士学位论文,2023年被评为山东省优秀研究生导学团队。

第一作者邢相灼,博士毕业于东南大学,长期围绕超导材料制备与极端条件物性开展研究工作,以第一作者/通讯作者发表包括Nat. Commun., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等高水平论文28篇,主持(完成)国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助项目等多项课题。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41777-7


发布:曲阜师大新闻中心

终审:刘永礼

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