碳笼网格晶体中被预测存在100 K以上的超导电性

　　温超导体研究领域取得新进展。团队通过理论模拟预测在碳原子形成的笼状网络晶体中存在100 K以上的超导电性，并指出碳笼耦合是高温超导电性的关键因素，该研究为探索新型轻质元素高温超导体提供了新的方向。相关研究成果以Superconductivity Above 100 K Predicted in Carbon-Cage Network为题于10月10日发表在的Advanced Science期刊上。

　　高温超导是2023年物理学界非常火爆的话题之一，反映了人们对超导大规模应用的渴望。超导材料的应用设计到一个关键参数指标----超导转变温度（T_c），这个T_c越接近我们的生活环境（常压室温）应用成本越低。因此把T_c提升到接近生活环境，是110年来高温超导研究领域一直追求却仍未实现的目标。由于目前技术条件的进步，液氮沸点（77 K，记为T_N）这一低温环境的实现已经变得相对比较容易，因此探索T_c高于T_N的高温超导材料变得非常有意义。碳材料被认为是未来的“芯”材料，已经在许多领域展现了其独特的性能优势；也在部分碳基材料中发现了超导电性，比如金刚石、石墨烯、碳纳米管和足球烯，但是超导转变温度均低于T_N。  

　　为了探索具有更高T_c的碳材料超导体，钟国华博士与其合作者设计了两种新型笼状网络碳结构，并通过掺杂金属改性对其超导性进行了系统的研究。两种笼型单元分别为C₂₄和C₃₂，这两种笼型单元分别通过面共享的形式耦合，形成特定的空间群晶体结构（图1）。高通量计算发现，部分金属掺杂这两种笼状网络结构后在常压下展现了高温超导电性，尤其是Na、Mg、Al、in和Tl金属掺杂C₂₄笼状网络晶体后均展现出了超过100 K的高温超导电性，这不仅远超过金刚石、石墨烯、碳纳米管和足球烯等常见碳材料的超导转变温度，也明显高于了T_N（图2）。研究进一步揭示，笼状结构的耦合是一个关键因素，这驱动了比其他碳材料更强的电-声耦合相互作用，从而导致了更高的T_c。同时，研究也发现，笼状网络碳化物的超导电性对掺杂金属的电负性和掺杂浓度也具有较强的依赖性，弱电负性和高掺杂浓度更易导致更高的T_c（图3）。该研究工作不仅报道了两种新型的碳结构高温超导体，也理论指出碳原子形成的笼状网络结构是探索高温超导体的一个新方向。   

　　该研究得到国家自然科学基金和深圳市基础研究项目的资助支持。   

图1.（a）-（c）对应为C₂₄笼单元和 C₂₄笼耦合后形成的网络状结构，不同方向视图。（d）-（f）对应为C₃₂笼单元和 C₃₂笼耦合后形成的网络状结构，不同方向视图。

图2. 碳材料或含碳材料的超导转变温度比较，红色符号代表了本研究结果。

图3. 其他元素掺杂C₂₄笼后，超导转变温度与掺杂元素电负性和价态的关系。  

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　　联系人：钟国华  

　　中国科学院深圳先进技术研究院  

　　Email: gh.zhong@siat.ac.cn