北京高压科学研究中心PRL揭秘非晶体的超导之谜

　　超导电性与无序结构的相关性一直是凝聚态物理领域一个有趣的和具有挑战性的难题。虽然早在1954年科学家们就发现了非晶超导体，但由于非晶超导体中复杂的拓扑和化学无序性，以及极端条件下实验技术的局限性使得 非晶体中的超导机制一直是一个未解之谜。
　　近日，北京高压科学研究中心的杨文革研究员与华中科技大学的徐明教授，以及德国亚琛工业大学的Matthias Wuttig教授合作的研究团队 发现非晶体的密度和超导性具有紧密的联系。 相关结果以＂Superconducting phase induced by a local structure transition in amorphous Sb2Se3 under high pressure＂为题发表于近期的《物理评论快报》上。
　　论文链接：
　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.127002
　　通常情况下，非晶材料内部的原子由于其无序排列，电子会出现严重的局域化，从而导致非晶固体中很高的电阻。然而，人们发现许多无序体系中包括金属玻璃、高熵合金等也会出现超导现象。并且无序化甚至可以增强某些非晶体系的超导临界温度。 但是当无序导致的电子局域化到一定的临界水平时，又会发生相反的效应—超导-绝缘转变 。由于对非晶无法像晶体那样进行有效的实验表征，因此很难从结构的角度精确地量化非晶固体中的无序性，从而导致非晶超导的结构起源一直是一个长期存在的难题。
　　＂近年来，高压已经成为一种研究材料的有效技术手段，不仅可以保证材料的化学纯度不受影响，而且能有效地改变物质的原子间距进而改变电子行为。因此，我们 能否借助高压的方法来调控非晶固体的结构从而探索其电学性能的变化呢 ？＂该工作的第一作者，张凯博士说到。
　　为了实现这一想法，该研究小组选择了非晶Sb2Se3作为研究对象 — Sb2Se3具有相对稳定的无序结构，而且其晶态展现出丰富的电子行为，比如强自旋轨道耦合、拓扑绝缘性、压力诱导超导等。那么这些新奇的物理现象是否也会发生在非晶态Sb2Se3中，压力是否也会诱导非晶态Sb2Se3超导？原子排列的变化又是如何影响非晶态的电子结构性质？带着这些疑问 ，该研究团队对非晶Sb2Se3展开了系统的高压研究，从原位高压实验及理论模拟探索压力对非晶Sb2Se3原子排列及电子结构的影响。
　　他们发现，随着压力的增加，非晶半导体Sb2Se3在24万大气压时也表现出同样的超导电性。原位高压高能X射线衍射测试表明非晶Sb2Se3在超导出现的同时由低密度非晶转变为一种高密度非晶，如下图所示，进一步压缩下，高密度非晶态最终转变为晶态立方结构。
　　图释：超导和密度的相关性。（a）在压缩过程，非晶相依次经历了LDA，HDA，bcc相，在卸压时，bcc相一直保留到24GPa，然后坍塌成LDA相。（b）相对应的，超导首先发生在HDA相，当从HDA进入bcc相时，显示出超导临界温度的提高，在卸压过程，超导一直维持在bcc相，直到返回LDA相，超导消失
　　进一步的理论计算表明，中间态—高密度相是非晶Sb2Se3超导发生的关键。＂高密度非晶相为初期超导行为的发生孕育了有序的局域结构单元。从本质上讲，高密度态是由一种独特的化学键—＂Metavalent bonds＂ 主导的—其介于低压共价键和高压金属键之间，它与低压非晶半导体相和高压晶态金属相明显不同＂，杨文革研究员解释到。＂有趣的是，Metavalent bond已成功地应用于相变材料、热电材料等领域。因此， 该研究不仅对非晶态超导体的原子结构和电子行为提供了深刻的认识，而且对非晶相变材料、热电材料等新材料的探索激发更广泛的研究兴趣 ＂，徐明教授补充到。
　　该工作得到了国家自然科学青年科学基金等项目的支持。
　　*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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