近日, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所與強磁場科學中心聯合科研團隊, 超高壓條件下首次在一種新的材料——二硫化鉬 (2H結構過渡金屬二硫屬化物: 2H-MoS2) 中觀測到超導現象. 相關研究成果被選為編輯推薦文章, 發表在《物理評論快報》上.
超導是一種宏觀的量子現象, 表現為材料的電阻完全消失的行為, 通常在非常低的溫度下發生. 當材料處於超導態時, 它具有零電阻, 完全抗磁性和超導隧道效應等奇特性能, 在電力輸運, 醫療器械磁體, 微波器件以及磁懸浮列車等方面具有獨特優勢. 自1911年荷蘭萊頓大學H·卡默林·昂內斯發現汞在4.2K以下呈現超導現象後, 因其廣泛的應用前景, 使人們對新超導材料的開發一直孜孜以求, 並成為材料物理領域的主流方向.
過渡金屬二硫屬化物MX2 (M為過渡金屬Ti, Nb, Ta, Mo, W; X為硫族元素S, Se, Te) 具有和石墨類似的層狀結構, 根據單胞中X-M-X三明治單層的數目及MX6配位多面體的不同, 可分為1T, 1T′, Td, 2H等多形體. 實驗研究表明, 通過化學插層或施加外部壓力等調控手段, 可在某些過渡金屬二硫屬化物中誘導出超導電性, 如激子絕緣體1T-TiSe2, 莫特絕緣體1T-TaS2及外耳半金屬Td-WTe2等. 而對於半導體2H-MoS2, 雖然實驗上證實通過化學插層和施加靜電場偏壓可以誘導出超導電性, 但迄今還沒有壓力誘導超導電性出現的實驗證據.
為此, 研究人員在自主搭建的高壓綜合測試平台上, 利用金剛石對頂砧產生的超高壓條件, 通過低溫電輸運測量發現: 二硫化鉬在90GPa (90萬大氣壓) 左右的壓力條件下變成超導體, 在130~220GPa (接近地球外核壓力) 壓力範圍內, 超導轉變臨界溫度可高達12K, 並通過密度泛函理論計算解釋超導出現的微觀機制.
研究工作得到了國家重點研發計劃, 國家自然科學基金和安徽省自然科學基金等的資助.
圖1.光學顯微鏡下金剛石對頂砧高壓發生裝置中樣品和電極的標準四引線布局圖, 其中圓形輪廓為金剛石的工作檯面, 直徑為100微米. 實驗中, 通過一對對頂的金剛石擠壓樣品對樣品施加超高壓力.
圖2.二硫化鉬的壓力-溫度相圖.
