超高压下新型硫族氢化物的金属化与奇异超导电性研究

Pressure induced metallization and superconductivity in hydrogen-rich compounds is an effective way to realize high temperature superconductors of metallic hydrogen, and has become one of the hot topics in the field of physics, material science, etc. Recently, both experimental and theoretical results have found that sulfur hydrides become superconductor with Tc=190 K under high pressure, breaking the temperature record of copper based superconductors with Tc= 164 K. These researches further stimulate the studies of chalcogen hydrides under pressure. There are several unsolved questions of chalcogen hydrides: (1) the synthesis and stable crystal structure of new chalcogen hydrides under high pressure; (2) pressure-induced metallization and novel superconductivity of chalcogen hydrides. This project aims to study the typical chalcogen hydrides, explore the structure of new chalcogen hydrides and measure the superconductivity of new chalcogen hydrides under high pressures, using in situ high-pressure experimental measurement combined with first principles calculations. The implementation of the project will reveal the inherent relation among hydrogen and non-hydrogen elements, the stoichiometric ratio, the microscopic structure, and superconductivity, and provide a new route to study metal hydrogen and high temperature superconductors.

富氢化合物的压致金属化和超导电性是实现金属氢和高温超导体的有效途径，已经成为物理学、材料科学等多学科的热点领域之一。最近实验和理论上均发现了硫氢化物在高压下的超导临界温度达到190 K，打破了此前铜基超导体164 K的温度纪录，进一步激发了人们对硫族氢化物高压行为的研究热潮。目前，硫族氢化物的高压研究存在着亟待解决的关键科学问题：(1)高压下新型硫族氢化物的合成及稳定晶体结构；(2)超高压下新型硫族氢化物的金属化条件及超导电性。本项目选取硫族氢化物为研究对象，采用原位高压实验测量结合第一性原理计算，探索新型硫族氢化物在高压下的合成条件及稳定晶体结构，确定压致金属化条件及奇异的超导电性。通过本项目的实施，可以揭示超高压下新型硫族氢化物中氢以及非氢元素和化学计量比等因素与微观结构、超导电性之间的内在联系，为金属氢、高温超导材料等相关研究提供新的途径和重要的实验数据。

富氢化合物的压致金属化和超导电性是实现金属氢和高温超导体的有效途径，已经成为物理学、材料科学等多学科的热点领域之一。在本项目的资助下，我们采用自主搭建的金刚石对顶砧原位高压激光加热技术、磁化率测量技术，结合原位高压拉曼、同步辐射X 射线衍射等实验测量系统，并在新型富氢化合物的制备及超导电性研究方面取得了突破性进展：突破了金刚石对顶砧压腔内磁测量的技术瓶颈，成功探测到硫氢样品的超导迈斯纳效应，为高压下H3S的优异超导特性提供了强有力的实验证据，文章发表在National Science Review, 2019, 6, 713–718。国际顶尖高压物理学家、欧洲科学院院士Artem R. Oganov教授以“Measuring the Meissner effect at megabar pressures”为题专门进行了亮点评述，并受到国内外同行关注，被科技部官网、科学网等作为亮点报道。实验上还扩展了硫化氢和磷化氢的相图，获得非常规配比的钙氢化合物等新型氢化物。理论上首次提出了新型的Ti-H化合物、Ru-H化合物和At-H化合物等。本项目的执行为新型硫族氢化物乃至富氢化合物的研究起到了重要的推动作用，也为金属氢和氢基高温超导体的研究提供了新的途径和重要的实验数据。