物质学院齐彦鹏团队创造过渡金属硼化物超导温度新纪录

近期，上海科技大学物质科学与技术学院齐彦鹏课题组与中国人民大学刘凯教授及雷和畅教授合作，利用高压技术在二硼化钼（MoB₂，一种过渡金属硼化物）中发现了转变温度高达32 K的超导电性，这是硼化物中超导临界转变温度T_c仅次于MgB₂的超导体，也是过渡族金属硼化物中T_c最高的体系。该成果以“Pressure-induced Superconductivity at 32 K in MoB₂” 为题，发表在国际知名学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）上。

科学家对于高的超导临界转变温度（T_c）的追求永无止境。根据经典的BCS 理论，当材料含有轻元素时，容易产生高的德拜温度（θ_D），从而可能获得更高T_c的超导电性。硼（B）是元素周期表第五号元素，是一种典型的轻元素，含硼化合物是实现高T_c超导体的理想体系。硼化物超导体的探索由来已久，2001 年日本科学家秋光纯发现超导电性高达39 K 的MgB₂ 后，更是掀起了硼化物尤其是金属二硼化物超导体的研究热潮。随后，科学家们合成出了超过100种与MgB₂ 同构的金属二硼化物，遗憾的是，大部分样品都不具有超导电性，即使能实现超导，其T_c也远低于经典的MgB₂。

图1. (a) MoB₂结构示意图。(b) MoB₂高压原位同步辐射XRD。(c) MoB₂高压变温电阻曲线。(d) MoB₂高压下1.8-60 K温区的变温电阻曲线。

针对上述问题，联合团队利用金刚石对顶压砧（DAC）对金属硼化物金属二硼化物MoB₂的高压结构及物性进行了深入的研究。利用上海同步辐射光源对MoB₂高压原位结构探究的结果显示，当压力增加到65 GPa时, MoB₂由β-结构相变为α-结构（图1b），高压下焓值计算也与实验结果吻合，证明了MoB₂高压下发生结构相变。进一步的高压原位电输运研究显示，MoB₂在21 GPa开始出现超导，且T_c随压力迅速升高。当压力超过70 GPa后，T_c随压力的增加趋势变缓，当压力达到110 GPa, 超导转变温度超过32 K，且仍未饱和（图1c，1d）。

图2. (a) MoB₂电子能带结构。(b) MoB₂电子态密度。(c) MoB₂声子散射图。(d) MoB₂声子态密度和电声耦合谱函数α²F(ω)。(e) MoB₂ 的H点（c图）低频声学支原子位移。(f) MgB₂常压B-B面内声子振动。

高压下的MoB₂与经典的MgB₂不仅结构相同，且超导转变温度都相对较高。然而第一性原理计算结果表明，MoB₂高压相的超导电性虽然可以用电-声耦合的理论进行解释，但与经典的MgB₂却有很大差异。一是电子结构明显不同，与MgB₂迥异的是，在α-MoB₂中，过渡金属Mo原子的d轨道电子在费米面的电子态密度远高于B原子（图2a，2b）。二是声子模式对电-声耦合的贡献有很大差异，与MgB₂中高频声子起主要贡献不同，在α-MoB₂中是来自Mo原子的低频声子占主导（图2c，2d）。总之，α-MoB₂在k_z方向有很大的能带散射，费米面呈现三维特征，及Mo原子面外振动声子与费米面附近的Mo的d电子发生强的电-声耦合，共同带来了MoB₂中的高T_c超导电性（图2e，2f）。

 齐彦鹏课题组一直致力于高压原位测量方面研究，利用自主开发的高压技术对功能材料实现量子调控，在拓扑材料Pt₂HgSe₃ (npj Quantum Mater., 2021, 6, 98), LaAlSi, (Phys. Rev. B., 2022, 105, 174502), 准一维材料(NbSe₄)₂I (Mater. Today Phys., 2021, 21, 100509), Bi₄I₄ (npj Quantum Mater., 2018, 3, 4), Kagome材料CsV₃Sb₅ (Adv. Mater., 2021, 33, 2102813)，笼状材料IrAs₃, IrP₃ (J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 6208), BaIr₂Ge₇, Ba₃Ir₄Ge₁₆ (Matter Radiat. Extremes, 2022, 7, 038404), 层状材料NaSnAs (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216086)等材料体系中都实现了压力诱导的超导电性。本次在MoB₂中发现T_c超过30 K的超导电性，是高压量子调控的又一重要进展；更重要的是，本项工作指出在设计富含轻元素高温超导体时，不仅要考虑轻元素形成的框架，同时也可选择合适的金属，充分发挥较局域的d电子对高温超导电性的贡献作用，这为探索轻元素高温超导体带来了新思路。

齐彦鹏课题组助理研究员裴翠颖、王琦和中国人民大学张建丰博士为该论文的共同第一作者。上海科技大学助理教授齐彦鹏、中国人民大学刘凯教授和雷和畅教授为共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。

论文标题：Pressure-induced Superconductivity at 32 K in MoB₂

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad034