于伟强课题组在铁基材料中通过氢化诱导出高温超导相

于伟强 教授 研究组 供稿 2018-02-07

近日，中国人民大学物理系于伟强教授团队和清华大学物理系于浦副教授团队合作，首次借助离子液将氢离子插入到一些铁基结构材料中，并诱导出高温超导相。该研究成果以 “Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”为题在Science Bulletin 2018年第一期作为封面文章刊发【1】。铁基超导最早发现者Hideo Hosono 教授同期撰文对该工作亮点推荐【2】。

在金属绝缘体相变和非传统超导体研究中，通过化学取代的方法来调控载流子中具有重要的意义。通过离子液和电场对材料进行物性调控的方法最近在物理和材料科学中得到迅速发展，被广泛应用于电池、智能玻璃、燃料电池等领域。

      于伟强研究组和清华大学于浦研究组通过离子液体电场的调控方法，在具有11结构和122结构的铁基材料中实现了氢离子（H+）的植入，并通过其载流子掺杂效应产生高温超导相。

具体氢植入的方法是将样品放在离子液中，使用直流电源提供3V偏压（左图）。样品连接到负电极，大量的氢离子聚集在样品表面并扩散到样品中。去掉偏压和离子液后，氢离子仍然存在于样品内，从而可以进行各种物性研究。通过氢植入在BaFe2As2中产生20 K超导，在FeSe0.93S0.07中产生20 K和42.5 K超导，在FeS中把超导温度从4 K提升到18 K。同时实现了氢核磁共振研究，揭示了这些材料中的一些非常规超导性质（右图）。

因此，该材料氢化方法产生双重作用。首先从物性的角度，氢植入提供了载流子掺杂，为材料的物性调控提供了一种全新的手段，是化学掺杂和外加应力等方法的重要补充，预期可以推广到多种金属-绝缘体相变和超导材料的探索中。第二，从技术的角度，这种实验方法易操作，尤其适合块材材料，氢植入的非易失性也适合丰富的谱学研究。尤以核磁共振为例，该方法提供了氢作为敏感的核磁共振同位素，为核磁共振同位素自然丰度低的材料提供了研究可能。

南京大学闻海虎研究组，北京大学李源研究组和中国科学院物理研究所罗会仟研究组为该工作提供了高质量的单晶材料。该工作得到了中国国家自然科学基金委和中国科学技术部的支持。

参考文献：

【1】 Y. Cui, G. Zhang, H. Li, H. Lin, X. Zhu, H Wen, G. Wang, J. Sun, M. Ma, Y. Li, D. Gong, T. Xie, Y. Gu, S. Li, H. Luo, P. Yu*, W. Yu*, Science Bulletin 63, 11 (2018).

【2】 Hideo Hosono, Superconductivity induced by field-driven proton injection. Science Bulletin 63, 5 (2018).