金屬所釔高壓相結構及超導轉變溫度的理論預測研究獲進展

2020-12-05 中國科學院

最近，瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室工程合金研究部陳粵博士、胡青苗研究員與楊銳研究員採用第一性原理方法結合進化算法，預測了壓力高於100 GPa時釔的晶體結構，發現該條件下超導轉變溫度Tc隨壓力P增大而降低，與100 GPa以下時的Tc-P關係相反。

稀土金屬元素釔在高壓下發生超導轉變，是具有最高超導轉變溫度的單質之一。實驗研究表明，在壓力低於100 GPa左右時，釔的超導轉變溫度隨壓力增加而單調升高。另一方面，隨壓力增加，釔中發生豐富的結構相變。當壓力由0增大到100 GPa左右時，釔的結構相變序列為hcp→Sm-type→dhcp→dfcc。因此，研究釔的高壓結構轉變及超導轉變溫度的耦合具有重要的理論意義與實用價值。目前，文獻報導的最高壓力為100 GPa左右，更高壓力下釔的晶體結構以及能否通過繼續增大壓力獲得更高的超導轉變溫度，是超導和高壓研究領域的一個前沿問題。

工程合金研究部科研人員採用第一原理結合進化算法預測，在97 GPa左右時，釔發生由dfcc到oF16-Fddd或hP3-P3121結構相變。兩種新型的高壓晶體結構oF16-Fddd及hP3-P3121能量比其它晶體結構更低（圖1）。聲子散射譜的計算結果表明，這兩種結構都不存在振動虛頻。上述結果分別從能量學和動力學角度說明oF16-Fddd及hP3-P3121結構在97GPa以上能夠穩定存在。通過分析電子分波態密度、能帶以及電荷密度，研究發現高壓下s→d電子轉移以及電子向晶格間隙處的偏聚對oF16-Fddd與hP3-P3121相的穩定性有重要貢獻。

在確定了釔在不同壓力下的穩定相結構的基礎上，研究人員採用第一原理線性響應理論，預測了釔在不同壓力下的穩定晶體結構對應的超導轉變溫度Tc。在100 GPa以下時，Tc隨壓力增大而單調升高，與實驗值符合良好（圖2）。但當壓力大於100 GPa時，理論計算預測Tc隨著壓力的增大而下降。這意味著無法採用增大壓力的方法得到更高的釔超導轉變溫度。

該研究工作對理解釔的高壓相變及超導轉變具有重要的意義，為相關領域的實驗研究指引了方向。研究成果發表於Physical Review Letters 109，157004（2012）。相關工作還發表於Physical Review B，84，132101（2011）。

這些研究得到了中國科學院金屬研究所葛庭燧獎研金、中國科學院王寬誠博士後工作獎勵基金以及國家重點基礎研究計劃（973計劃）的資助。

圖1 釔可能存在的新型高壓晶體結構示意圖（a）；不同晶體結構的焓隨壓力的變化（b）。

圖2 不同壓力下釔超導轉變溫度計算值與實驗值的比較（黑色圓點與實線表示實驗值）。

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