超高压下氢和钇氢化合物超导电性的实验研究

The recent discovery of sulfur hydride with 203 K superconducting transition temperature aroused thoroughly interest on hydrogen-based superconductor in condensed matter physics. Theoretical studies show that metallic hydrogen and yttrium hydride are potential room-temperature superconductors, and the experimental study at high pressure is of great significance. In this project, on the one hand, by means of diamond anvil cell, we will develop superhigh-pressure technique of 500 GPa, meanwhile combining with Raman spectrum and electrical transport measurement, explore low-temperature phase diagram, metallic behavior and superconductivity under superhigh pressure. On the other hand, based on the chemical reaction under high pressure and high temperature between H2 and Y/YH3, we will synthesize unusual stoichiometric yttrium hydride (YHn; n≥4), study the crystal structure, chemical bonding, metallic behavior and superconductivity using XRD/Raman/infrared spectra, electrical and magnetization measurement. Through the implementation of the project, it is expected to fill the blank of experimental research on metallic hydrogen at 500 GPa, discover new type high-temperature superconductor on hydrogen and yttrium hydride, and achieve new breakthroughs in superconducting transition temperature.

最近，硫氢化物203 K高温超导电性的科学发现使“氢基超导体”成为凝聚态物理领域的研究热点。理论研究表明，金属氢与钇氢化合物是潜在的室温超导体，其高压实验研究具有重要的科学意义。本项目一方面拟基于金刚石对顶砧发展500万大气压的超高压实验新技术，结合拉曼光谱与电输运测量，探索超高压下氢的低温相图、金属化行为和超导电性。另一方面，基于H2与Y/YH3的高温高压化学反应合成具有非传统化学计量比的新型钇氢化合物（YHn; n≥4），并采用高压XRD、拉曼、红外光谱与电输运、磁化性质测量手段研究其晶体结构、化学成键、金属化行为和超导电性。本项目的实施有望填补500万大气压下金属氢的实验研究空白、发现新型高温超导氢和钇氢化合物，实现超导转变温度的新突破。

高压强极端条件下，氢分子会发生解离形成氢原子，并伴随着由绝缘体转变为金属的物性改变。原子相金属氢是潜在高温超导体候选体系，然而，迄今为止还没有观察到原子相金属氢的确切证据。科学家指出，在富氢化合物中，由于重原子对氢原子的化学预压作用，有望在较低压强下获得金属氢。之后，富氢化合物高温超导体成为领域的研究热点。本项目主要研究目标是制备新型的富氢高温超导体，同时开展金属氢的实验探索。在本项目的支持下，我们利用金刚石对顶砧、激光加热、同步辐射X射线衍射、电输运测量等技术，获得了若干创新性的研究成果，主要包括：（1）在二元体系方面，我们通过对金属单质和氨硼烷的混合物在高压条件下加热，成功制备了氢笼合物CaH6、YH6、YH9、EuH6、EuH9等二元富氢化合物，实验观测到前三种氢化物高压下的超导转变温度分别为215K （172GPa）、218K（165GPa）和230K（300GPa）；（2）在三元体系方面，我们通过对二元金属合金和氨硼烷的混合物加热，成功制备了氢笼合物(La,Ce)H9、(La,Y)H4，并观测到超导转变温度分别为178K (172GPa)和100K (80GPa)；（3）另外，我们也开展了其它轻元素化合物超导电性的研究，利用CALYPSO晶体结构预测软件对La-B体系首先开展了广泛的结构搜索，设计了一种非常规化学计量比的硼笼合物LaB8，并成功合成了该笼合物。理论计算揭示了笼合物LaB8在常压下的超导转变温度可达到14K。这些工作将为进一步寻找高温超导体或者室温超导体提供实质性贡献。. 项目执行期间，共发表标注项目号的SCI论文15篇，其中，包括Physical Review Letters 1篇，Nature Communication 1篇，Materials Today Physics 1篇，Physical Review B 5篇，Physical Review Research 1篇。项目负责人做特邀报告4次。