科学通报|高熵超导体研究进展

高熵材料是一类由多种元素以等摩尔或近等摩尔比组成的新型多组元材料。高熵材料多个组分近乎无限的排列和组合，为新材料的修饰与性能调控提供了一个巨大的平台。同时，由于高熵材料的优异性能和稳定的结构，在全世界掀起了研究热潮。2014年首次在高熵材料中发现超导电性，自此，高熵材料成为研究超导电性的沃土。

最近，中山大学材料科学与工程学院罗惠霞教授课题组在《科学通报》发表了关于高熵超导的综述，系统总结了高熵材料超导体的研究进展。

1.高熵合金超导体

目前研究最多的高熵超导材料是体心立方结构的高熵合金，体心立方高熵合金超导体中元素组成主要由Ti、Zr、Hf、Nb、Ta和V组成。在体心立方结构的高熵合金超导体中，平均价电子数和超导转变温度存在一定的关联。相同元素体系的体心立方高熵合金超导体中，超导转变温度在平均价电子数为4.7附近达到最大值，这与过渡金属超导体的Matthias规则类似。同时，元素的组成对体心立方结构的高熵合金超导体的超导转变温度影响很大，特别是Nb元素的含量，Nb含量越高，超导转变温度可能越高。因此，在体心立方结构的高熵合金超导体中，平均价电子数和元素组成共同影响其超导转变温度。另外，通过总结混合熵和超导转变温度之间的关系发现，体系立方结构的高熵合金超导体中的混合熵与超导转变温度之间无明显的关联，由组成原子数量的增加引入的无序不会导致其超导转变温度和临界磁场的大幅度变化。

体心立方结构高熵合金具有强的结构稳定性，在极端环境下具有巨大的应用潜力。虽然体心立方高熵合金超导体是传统的BCS超导体，但仍表现出许多非常规超导行为。体心立方的高熵合金在高达190 GPa的高压下仍表现出电阻陡降和零电阻行为，并且其超导转变温度几乎保持不变。另外，在多个体心立方结构的高熵合金中发现了强电声耦合行为，强电声耦合行为一般出现在强关联超导体中。

除了体心立方结构外，高熵合金超导体的结构还有密排六方结构、CsCl结构、α-Mn结构、β-Mn结构和A15结构等。

2.高熵陶瓷超导体

高熵陶瓷通常是由五种或五种以上陶瓷组元形成的固溶体，主要包括高熵碳化物陶瓷、高熵硼化物陶瓷、高熵氮化物陶瓷、高熵氧化物陶瓷等。目前对高熵陶瓷的超导电性研究相对较少，最早报道的是高熵铜氧化物高温超导体，混合熵对其超导转变温度和电流密度没有太大影响。第一个高熵碳化物超导体是Ti0.2Zr0.2Nb0.2Hf0.2Ta0.2C，是第二类超导体，其超导转变温度同样对压力具有鲁棒性，在50 GPa的压力下，超导转变温度均有0.5 K的轻微变化。第一性原理计算显示，该高熵碳化物陶瓷的电子能带结构中存在第二类狄拉克点，表明其是潜在的拓扑超导体。另外，在高熵碳化物陶瓷中掺杂氮元素，可以合成高熵碳氮化物陶瓷。通过分析平均价电子数与超导转变温度的关系，发现高熵碳氮化物的最大超导转变温度出现在平均价电子数为4.7附近。另外，其超导转变温度随着平均价电子数的变化趋势与高熵合金(NbTa)1-x(ZrHfTi)x高度一致。此外，第一性原理计算表明该高熵碳氮化物体系的能带结构中同样存在第二类狄拉克点，且狄拉克点随着N掺杂浓度的增大，远离费米面。

3.高熵超导体的展望

高熵合金超导体作为一类单独的超导材料，其强的结构稳定性和优异的机械性能，使其在应用上具有巨大的潜力，也为未来的科学研究提供了许多机会。作为新材料，高熵超导体为发现新超导材料提供了无限的可能。在高熵合金超导体中，似乎没有什么能本质上将其超导转变温度限制在10 K以下，预计未来会有更高超导转变温度的高熵合金超导体，高熵合金超导体可能是制造超导磁体的良好候选材料。高熵陶瓷超导体的研究才刚刚起步，高熵陶瓷领域中大多数研究的是其机械性能，对超导电性的研究还有巨大的空间，特别是对超导电性与拓扑性质的研究。

曾令勇, 李宽, 李龙夫, 余沛峰, 王康旺, 陈睿, 张超, 项载琛, 石磊, 张云蔚, 江恺瑶, 罗惠霞* . 高熵超导体研究进展. 科学通报, 2024, 69(20): 2951–2963,

https://doi.org/10.1360/TB-2023-1119

转载、投稿请留言

| 关注科学通报 | 了解科学前沿