四方FeS—高壓下的雙超導相

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自被發現以來，超導一直是科學界研究的重要內容之一，隨著科技的進步和發展，超導的研究也越發的多樣化，而提高超導轉變溫度，尋找潛在的室溫超導體是科技工作者一直以來夢寐以求的最高理想。近期，北京高壓科學研究中心的楊文革研究員小組和上海復旦大學的李世燕教授研究小組攜手合作，通過金剛石對頂砧的實驗方法模擬地球內部壓力對四方FeS超導體的高壓輸運性質進行了一系列的研究。研究團隊發現，四方FeS隨壓力表現出「超導—超導消失—超導再現—超導消失」的雙超導相行為，且新超導相的超導轉變溫度提高了30%，這一研究成果發表在9月1日的《NPJ Quantum Materials》上。

通常意義上來講，超導，也就是超導電性，指的是材料的電阻率為零，電流流經材料的時候不會產生焦耳熱效應，故而不會發生能量損耗。這個性質使得超導材料在很多領域有重要應用，比如做成電線，能實現電能的無損傳輸；再比如繞成線圈，產生超強磁場的情況下不發熱，並且電能損耗極低。當然，超導材料使用的限制也非常明顯，那就是現有材料的超導轉變溫度（Tc）很低，實際運用中需要很大的成本維持低溫。因而，在物理學界，進一步理解超導機理，提高材料Tc，最終找到室溫超導材料一直是物理學家的一個夢想。

a： 相變壓力附近的四方相，六方相的百分比伴隨壓力的變化；b：FeS的溫度-壓力相圖。

繼銅基高溫超導之後，因獨特能帶結構與Tc極易調控的特性，鐵基超導體在物理學界再次掀起了一波研究熱潮。其中，以結構最簡單的四方FeSe為代表的「11」體系最受關注，而其在壓力調控下能極大地提高Tc的相關研究相當令人振奮。由於在元素周期表上S和Se處於同一主族，與四方FeSe結構類似的四方FeS因其超導電性的發現引起了人們的極大關注。眾所周知，自然界中的FeS存在四方和六方這兩種結構，六方FeS是一種豐富的地球內部礦物材料（磁黃鐵礦），是一種典型的半導體。而四方FeS材料在Fe和S的原子比嚴格1:1情況下呈現出超導電性，但在非嚴格化學計量比情況下，多出來的Fe或者S會破壞超導電性。於是，該研究團隊將壓力調控的研究對象鎖定到了人工水熱法合成的高質量四方FeS單晶。

通過高壓低溫電阻測量實驗，該研究團隊發現，四方FeS在常壓下呈現出的超導電性會被壓力作用快速抑制，當壓力慢慢增加到4.0萬大氣壓時，超導轉變會消失；而繼續對四方FeS施加壓力，在5.0萬大氣壓以上，超導轉變又會再次出現，直到22萬大氣壓左右，超導轉變才消失。新的超導相的最大Tc從原始超導相的4.5K提高到了6K，增幅逾30%。而高壓X射線衍射實驗結果表明，原始的四方結構相會在7萬大氣壓附近開始逐漸轉變成六方結構相，期間仍有一部分殘餘的四方相彌散分布於六方相內部。而這部分彌散分布的殘餘四方相受壓力的影響，呈現出了第二個新的超導相，並存在於一個比較寬泛的壓力區間，直到該殘餘四方相全部消失。後續國際同行的第一性原理計算研究結果表明，四方FeS在壓力調控下的兩個超導相轉變可能與四方FeS在壓力作用下費米面的拓撲結構變化有關。

該研究團隊的這一重要發現讓我們對FeS這一豐富的地球內部礦物質材料家族有了新的認識。這不僅給了我們一個新的研究鐵基超導材料的視角，而且也給我們打開了一扇新的認識地球內部礦物質FeS的窗口。

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