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近日，吉林大學黃曉麗教授和寧波大學崔田教授等人，在高壓超導氫化物研究方面又取得突破性進展。利用高溫高壓技術，研究團隊在中等壓力下成功合成了具有優異效能的四元富氫高溫超導體Fm
m-(La,Y,Ce)H10，這是利用"熵工程"概念在中等壓力下獲得具有優異超導效能的多元氫化物的一次成功嘗試。此項工作激發了對多元氫化物超導體的實驗探索，併為未來在更加多樣化的氫化物材料中尋找室溫超導體提供了參考。研究成果以“Superior superconducting properties realized in quaternary La-Y-Ce
hydrides at moderate pressures”為題，於2024年5月8日發表在Journal
of the American Chemical Society雜誌上。
圖一：原位高壓電學測量實驗圖。(a)雷射加熱前後，LYC#1和LYC#3的樣品腔照片。(b)不同壓力下，La-Y-Ce-H樣品的電阻隨溫度的變化關係。(c) La-Y-Ce-H樣品的零電阻示意圖。
為了研究La-Y-Ce-H體系在高壓下的潛在超導性，研究團隊首先利用磁控濺射的方法制備了初始的La-Y-Ce合金，隨後開展了針對La-Y-Ce-H體系的超導電性實驗研究。以La-Y-Ce合金和氨硼烷為前驅物，成功在110~125 GPa和1500 K的高壓高溫條件下合成了四元La-Y-Ce-H高溫超導體。原位高壓電輸運實驗的結果顯示，在壓力為112 GPa時，樣品的超導轉變溫度高達190 K。此外，透過施加外磁場進一步驗證了超導電性的存在。利用WHH模型擬合後發現，該樣品的上臨界磁場高達292 T，是目前實驗報道的氫基超導體中的最高值。
圖二：La-Y-Ce-H樣品在不同磁場下電阻隨溫度的變化關係。(a) LYC＃1樣品在123 GPa時，外磁場下電阻隨溫度的變化曲線。(b) LYC＃3樣品在115 GPa時，外磁場下電阻隨溫度的變化曲線。(c)利用WHH方程和GL方程擬合得到的LYC＃1和LYC＃3樣品的上臨界磁場。(d) LYC＃3樣品和其他氫基超導體的上臨界磁場的比較。
研究團隊還探索了La-Y-Ce-H樣品的臨界電流密度Jc(0)，利用Ginzburg-Landau模型和Single vortex模型外推得到La-Y-Ce-H樣品的臨界電流Ic(0)分別為4.1 A和41.5 A。由於樣品的尺寸不超過30 µm且厚度小於3 µm，計算後發現樣品的Jc(0)高達4.56×106 A/cm²-4.61×107 A/cm²，遠高於諸如YH6、(La,Y)H10和(La,Nd)H10等氫化物的臨界電流密度，並可與商用超導體如YBCO、NbTi和Nb3Sn的臨界電流密度相媲美。
圖三：La-Y-Ce-H樣品的臨界電流。(a)117 GPa 時，LYC#2樣品在不同溫度下的臨界電流。插圖：樣品在Tc附近的電流-電壓特性。(b)利用Ginzburg-Landau模型和Single vortex模型擬合得到的臨界電流。
為了表徵La-Y-Ce-H超導相的晶體結構，我們進行了原位同步輻射X射線衍射(XRD)實驗，發現樣品腔內的產物主要為：Fmm-(La,Y,Ce)H10和P63/mmc-(La,Y,Ce)H9。考慮到兩相的比例和分佈並結合樣品的電輸運性質，我們認為Tc~190 K的相屬於Fmm-(La,Y,Ce)H10。值得一提的是，在本研究中，透過使用“熵工程”概念，成功將此前未能在約110 GPa下得的La@H32/Y@H32籠狀結構在112 GPa截獲。
圖四：La-Y-Ce-H樣品的高壓XRD實驗研究。(a)120 GPa時，LYC#1樣品XRD的Le Bail精修結果，(b)117
GPa時，LYC#3樣品XRD的Le Bail精修結果，(c) 樣品體積隨壓力的變化關係。其中實心圓點為實驗所得資料。
GPa時，LYC#3樣品XRD的Le Bail精修結果，(c) 樣品體積隨壓力的變化關係。其中實心圓點為實驗所得資料。
進一步分析了該樣品的Tc隨壓力的變化趨勢和超導相的穩定性。實驗結果顯示，在減壓過程中，Tc(P)呈單調遞減趨勢。並且隨著體系無序度的增加，一些負面現象也隨之出現。我們觀察到，與La-Ce-H系統相比，Y原子的引入增加了區域性晶格畸變的程度。這使得Fmm-(La,Y,Ce)H10在卸壓時難以保持晶體的高對稱性，從而導致Tc迅速下降和過早分解。
圖五：La-Y-Ce-H體系的Tc與壓力的關係。(a) LYC#1、#2、#3中La-Y-Ce-H樣品的Tc與壓力的關係。實心圓點。(b) La-Y-Ce-H樣品及其他氫基高溫超導體的Tc測量值的壓力相關性。紅星為實驗所得資料。
除了影響體系穩定性外，這種無序結構還對樣品的超導效能產生了顯著影響。一方面，La/Y/Ce原子的隨機分佈以及在H籠結構中產生的區域性畸變可以大幅縮短電子的平均自由程，從而提高系統的μ0Hc2(0)。另一方面，結構上的混亂可能引入更多缺陷，使磁通釘扎作用增強，從而增加了系統的Jc(0)。以上研究表明，調節體系的構型熵時，焓/熵的演變、晶格畸變和結構上無序度的增加將影響氫化物的穩定性和超導效能。“熵工程”的概念長期以來一直應用於高熵合金/陶瓷中，為高效能工程材料的開發提供了新的可能性。在氫化物中，同樣可以引入“熵工程”的概念，透過適當的合金替換，可以控制氫化物中的無序程度，以調節其穩定壓力和超導效能。因此，這一創新概念的應用為多組分氫基超導體領域的探索和發展注入了新的動力。
該研究成果的第一作者為吉林大學陳訴博士，通訊作者為吉林大學黃曉麗教授與寧波大學崔田教授。在文章修改過程中，還得到了吉林大學化學學院白福全教授團隊的理論支援和幫助。該工作是在國家重點研發計劃青年科學家專案、國家自然基金委面上專案等基金資助下完成的。