探秘极端测量环境 · 提供触手可及的高压测量方案

发布日期：2021-01-22

2020年10月一篇高压室温超导的Nature期刊刷遍了整个超导圈。美国罗彻斯特大学Ranga P. Dias教授团队使用超高压的手段将碳质硫氢化物在近乎室温环境中转变为超导态，将超导探索的历程向前推进了一大步。超导研究进展与极端环境实验技术的进步密不可分，随着科学仪器和精密制造业的不断发展，极端实验环境也不再遥不可及。

压强是一个非常重要的热力学维度，因材料在高压下会呈现出新奇的结构和性能，一直以来备受物理、材料和化学研究者的关注。在此基础上结合温和强磁场环境实现的复合极端实验环境则更有助于我们揭示诸如超导、自旋液体材料等的物理机理。

2020年9月，中科院强耦合量子材料物理重点实验室和中科院金属所在Nature子刊NPG Asia Materials上合作发表了一篇关于二维碳化物薄膜Mo₂C常规超导体在压力下的超导机理研究文章。文章主要介绍了二维碳化物Mo₂C的正交相α-Mo₂C和六方相β-Mo₂C薄膜材料在低温高压环境下的超导性能。高压下的超导研究，可以揭示超导材料中不同因素之间的竞争关系，从而帮助探索超导的机理。通常来讲，具有高dTc/dP的超导材料可以利用适当的化学替代或外延应变实现更高的超导转变温度。文章随后针对这两种不同晶相的Mo₂C薄膜对高压下的超导转变特性进行了更细致的研究。

该课题组对25.1 nm厚度的α-Mo₂C和7.1 nm厚度的β-Mo₂C在2-5K超导转变温度附近施加了高2.1 GPa的等静压，并在多个压力下对其超导电性进行了测量，可以看出超导转变温度Tc在两个晶相中表现出截然不同的压力响应趋势。其中β-Mo₂C的超导转变温度随压力增大而一路走低，通过BCS理论进行分析，这是因为压力诱导声子硬化效应超过了电子特征对超导温度的提升贡献，进而导致超导转变温度随压强增加而下降；而α-Mo₂C展现出非线性的穹顶状曲线，显示出电声子相互竞争共同主导了材料的超导特性。

上临界场H_C2(0)随压强的演变情况在α-Mo₂C和β-Mo₂C薄膜材料中也分别表现出非单调和单调的演变情况。该课题组认为两晶相超导特性随压强明显不同的响应关系主要归因于碳原子分布的有序和无序性，导致材料电子结构存在显著差别，当然碳原子有序无序性对电子结构的具体影响还有待进一步研究。

此外，二维薄膜材料的电输运性能也同时受到薄膜厚度的影响，文章对不同厚度的两种晶相薄膜分别进行了细致的电输运测量分析，从数据中也可以明显看出随着薄膜厚度的降低，超导转变温度Tc点也随之降低，实验结果与Ginzburg-Landau自由能理论相吻合。

值得一提的是，文中不同压力和温度采集的精细输运数据均来源于Quantum Design科学仪器，主要包括有Quantum Design日本分公司生产的HPC-33型号等静油压电测量高压腔以及Quantum Design美国生产的PPMS 9T综合物性测量系统。其中HPC-33型高压腔高可以提供3 Gpa压强，样品腔内径4 mm，长度6 mm，能够帮助用户在PPMS上实现变温变压变磁场的三个不同维度的电学测量。

此外，Quantum Design公司还提供了简单易用的磁测量专用高压腔组件，能够实现大1.3 Gpa的样品压力，适配于大16 T磁场并配有振动样品磁强计VSM和VSM大线圈组件的综合物性测量系统PPMS。

参考文献：

[1]. Fan, Y., Xu, C., Liu, X. et al. Distinct superconducting properties and hydrostatic pressure effects in 2D α- and β-Mo₂C crystal sheets. NPG Asia Mater 12, 60 (2020).