科研进展|上科大物质学院齐彦鹏团队创造过渡金属硼化物超导温度新纪录

科学家对于高的超导临界转变温度（T_c）的追求永无止境。根据经典的BCS 理论，当材料含有轻元素时，容易产生高的德拜温度（θ_D），从而可能获得更高T_c的超导电性。硼（B）是元素周期表第五号元素，是一种典型的轻元素，含硼化合物是实现高T_c超导体的理想体系。硼化物超导体的探索由来已久，2001 年日本科学家秋光纯发现超导电性高达39 K 的MgB₂ 后，更是了掀起了硼化物尤其是金属二硼化物超导体的研究热潮。随后，科学家们合成出了超过100种与MgB₂ 同构的金属二硼化物，遗憾的是，大部分样品都不具有超导电性，即使能实现超导，其T_c也远低于经典的MgB₂。

针对上述问题，联合团队利用金刚石对顶压砧（DAC）对金属硼化物MoB₂的高压结构及物性进行了深入的研究。利用上海同步辐射光源对MoB₂高压原位结构探究的结果显示，当压力增加到65 GPa时, MoB₂由β-结构相变为α-结构（图1b），高压下焓值计算也与实验结果吻合，证明了MoB₂高压下发生结构相变。进一步的高压原位电输运研究显示，MoB₂在21 GPa开始出现超导，且T_c随压力迅速升高。当压力超过70 GPa后，T_c随压力的增加趋势变缓，当压力达到110 GPa, 超导转变温度超过32 K，且仍未饱和（图1c，1d）。

图2. (a) MoB₂电子能带结构。(b) MoB₂电子态密度。(c) MoB₂声子散射图。(d) MoB₂声子态密度和电声耦合谱函数α²F(ω)。(e) MoB₂ 的H点（c图）低频声学支原子位移。(f) MgB₂常压B-B面内声子振动。

高压下的MoB₂与经典的MgB₂不仅结构相同，且超导转变温度都相对较高。然而第一性原理计算结果表明，MoB₂高压相的超导电性虽然可以用电-声耦合的理论进行解释，但与经典的MgB₂却有很大差异。一是电子结构明显不同，与MgB₂迥异的是，在α-MoB₂中，过渡金属Mo原子的d轨道电子在费米面的电子态密度远高于B原子（图2a，2b）。二是声子模式对电-声耦合的贡献有很大差异，与MgB₂中高频声子起主要贡献不同，在α-MoB₂中是来自Mo原子的低频声子占主导（图2c，2d）。总之，α-MoB₂在k_z方向有很大的能带散射，费米面呈现三维特征，及Mo原子面外振动声子与费米面附近的Mo的d电子发生强的电-声耦合，共同带来了MoB₂中的高T_c超导电性（图2e，2f）。

齐彦鹏课题组一直致力于高压原位测量方面研究，利用自主开发的高压技术对功能材料实现量子调控，在拓扑材料Pt₂HgSe₃(npj Quantum Mater., 2021, 6, 98), LaAlSi, (Phys. Rev. B., 2022, 105, 174502), 准一维材料(NbSe₄)₂I (Mater. Today Phys., 2021, 21, 100509), Bi₄I₄(npj Quantum Mater., 2018, 3, 4), Kagome材料CsV₃Sb₅ (Adv. Mater., 2021, 33, 2102813)，笼状材料IrAs₃, IrP₃(J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 6208), BaIr₂Ge₇, Ba₃Ir₄Ge₁₆ (Matter Radiat. Extremes, 2022, 7, 038404), 层状材料NaSnAs (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216086)等材料体系中都实现了压力诱导的超导电性。本次在MoB₂中发现T_c超过30 K的超导电性，是高压量子调控的又一重要进展；更重要的是，本项工作指出在设计富含轻元素高温超导体时，不仅要考虑轻元素形成的框架，同时也可选择合适的金属，充分发挥较局域的d电子对高温超导电性的贡献作用，这为探索轻元素高温超导体带来了新思路。