元素超导体的温度纪录被打破

超导电性是一种物质在极低温下出现的一种奇特的现象，它可以让电流无阻力地流过物质。这种现象非常有用，比如可以用来制造强大的磁体，或者实现量子计算等高科技应用。但是，超导电性的出现条件非常苛刻，一般需要将物质冷却到极低的温度，这样才能让电子之间形成一种叫做库珀对的特殊状态，从而克服晶格振动的干扰，实现无阻力的电流。

那么，有没有可能让超导电性在更高的温度下出现呢？这是物理学家们长期追求的一个梦想，因为如果能够实现这一点，那么超导电性的应用就会大大增加，而且也会揭示出更深刻的物理原理。事实上，自从1911年超导电性被发现以来，物理学家们就一直在努力提高超导电性的临界温度（Tc），也就是超导电性出现的最高温度。

目前，已经发现了一些具有较高Tc的超导材料，比如铜氧化物和铁基超导体，它们有些可以在液氮的沸点（77 K）以上保持超导电性。但是，这些材料的结构都比较复杂，而且超导电性的机制还不是很清楚，所以对于理论的发展和实验的控制都有一定的困难。

那么，如果我们只用一种元素，而不是多种元素的复合物，能不能实现高温超导电性呢？这是一个非常有意思的问题，因为单一元素的超导电性更容易理解和分析，而且也更能体现出超导电性的本质。但是，单一元素的超导电性的Tc一般都很低，比如最高的是铌，只有9.2 K。这是因为单一元素的电子结构比较简单，电子-声子耦合比较弱，所以很难形成稳定的库珀对。那么，有没有什么办法可以改变单一元素的电子结构，从而增强电子-声子耦合，提高Tc呢？答案是有的，那就是高压。

高压是一种非常强大的手段，它可以改变物质的原子间距，从而改变物质的电子结构，甚至引发物质的相变，产生一些新的结构和性质。高压对于超导电性的影响也非常显著，它可以使一些本来不是超导体的元素变成超导体，也可以使一些本来是超导体的元素的Tc发生变化：有的升高，有的降低，甚至有的出现非单调的变化。高压下的超导电性是一个非常活跃的研究领域，已经有很多有趣的发现和理论，比如氢化物的高温超导电性，以及超导电性的相图等等。

最近，我国的一篇论文报道了一个非常令人惊讶的结果，那就是在高压下，钪这种元素的超导电性的Tc可以达到30 K以上，这是迄今为止已知的单一元素的超导电性的最高Tc，甚至可以和一些复杂的超导材料相媲美。这篇论文的作者使用了金刚石对顶砧这种装置，可以产生高达283 GPa的压力，然后用电阻和磁化率这两种方法来测量钪的超导电性的Tc。

他们发现，随着压力的增加，钪的Tc从43 GPa时的3 K，逐渐升高到283 GPa时的32 K，而且没有出现饱和的迹象，说明如果压力再增加，Tc可能还会继续升高。这是一个非常惊人的发现，因为它打破了单一元素的超导电性的Tc的上限，而且也提出了一个新的问题，那就是为什么钪的超导电性的Tc会随着压力的增加而升高呢？

为了解释这个问题，作者使用了第一性原理计算，来分析钪在不同压力下的电子结构和电子-声子耦合。他们发现，随着压力的增加，钪的晶格结构发生了几次相变，从hcp到fcc，再到hcp，最后到hcp+fcc的混合相。这些相变会导致钪的电子结构发生变化，特别是3d轨道的能级会随着压力的增加而升高，从而接近费米能级，增加了电子态密度。这样，电子-声子耦合就会增强，从而提高Tc。

作者还计算了钪的声子谱和声子线宽，发现随着压力的增加，声子谱的整体频率会升高，而声子线宽会降低，这也说明了电子-声子耦合的增强。作者还给出了一个经验公式，来描述钪的Tc和压力的关系，发现和实验结果吻合得很好。

来自：万象经验