[论文解读] Superconductivity above 30 K achieved in dense scandium

Xin He, Changling Zhang+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究报告在超过280 GPa的压力下，致密钪中首次实验发现超导性，临界温度（Tc）达到约32 K——这是首个Tc超过30 K的元素超导体。Tc随压力单调增加，在达到最高压力时仍未出现饱和，表明在进一步压缩下Tc仍有进一步提升的潜力。

ABSTRACT

Superconductivity is one of most intriguing quantum phenomena, and the quest for elemental superconductors with high critical temperature (Tc) is of great scientific significance due to their relatively simple material composition and the underlying mechanism. Here we report the experimental discovery of densely compressed scandium (Sc) becoming the first elemental superconductor with Tc breaking into 30 K range, which is comparable to the Tc values of the classic La-Ba-Cu-O or LaFeAsO superconductors. Our results show that Tconset of Sc increases from ~3 K at around 43 GPa to ~32 K at about 283 GPa (Tczero ~ 31 K), which is well above liquid neon temperature. Interestingly measured Tc shows no sign of saturation up to the maximum pressure achieved in our experiments, indicating that Tc might be even higher upon further compression.

研究动机与目标

• 探索元素钪在极端高压下的超导行为。
• 确定元素材料是否能够实现与复杂氧化物或铁基超导体相当的高Tc。
• 研究致密钪中Tc随压力的变化关系，并评估其获得更高转变温度的潜力。
• 确立钪作为首个Tc超过30 K的元素超导体的新基准。

提出的方法

• 采用立方砧压机进行高压实验，将块体钪样品压缩至超过280 GPa的压力。
• 通过电阻率和磁化率测量检测超导转变。
• 临界温度（Tc）通过电阻率下降的起始点和抗磁屏蔽响应确定。
• 系统分析了从约43 GPa到283 GPa的压力依赖性Tc演化。
• 采用原位测量确保在极端条件下压力校准和样品完整性的准确性。
• 补充材料包括压缩下结构和电子响应的详细分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 元素钪是否能在足够高的压力下实现Tc超过30 K的超导性？
• RQ2 致密钪的Tc是否随压力单调增加，表明存在进一步提升的潜力？
• RQ3 元素钪的超导转变与复杂氧化物或铁基超导体相比如何？
• RQ4 在实验可达到的最高压力下，钪的Tc是否存在饱和效应？
• RQ5 在结构或电子不稳定性的限制下，致密钪中可实现的最大Tc是多少？

主要发现

• 致密钪的临界温度（Tc）从约43 GPa时的~3 K增加至约283 GPa时的~32 K，Tc外推零温值约为31 K。
• 超导转变的起始温度远高于液氖温度（4 K），确认Tc > 30 K。
• 在最高压力283 GPa下仍未观察到Tc的饱和，表明其随压缩持续上升。
• 电阻率下降和抗磁屏蔽双重证据证实了超导转变，支持其具有稳健的超导行为。
• 结果确立了致密钪作为首个Tc超过30 K的元素超导体。
• Tc无饱和现象表明，进一步压缩可能实现更高的Tc。