溫超導體研究領域取得新進展。團隊通過理論模擬預測在碳原子形成的籠狀網(wǎng)絡晶體中存在100 K以上的超導電性，并指出碳籠耦合是高溫超導電性的關鍵因素，該研究為探索新型輕質元素高溫超導體提供了新的方向。相關研究成果以Superconductivity Above 100 K Predicted in Carbon-Cage Network為題于10月10日發(fā)表在的Advanced Science期刊上。

　　高溫超導是2023年物理學界非常火爆的話題之一，反映了人們對超導大規(guī)模應用的渴望。超導材料的應用設計到一個關鍵參數(shù)指標----超導轉變溫度（T_c），這個T_c越接近我們的生活環(huán)境（常壓室溫）應用成本越低。因此把T_c提升到接近生活環(huán)境，是110年來高溫超導研究領域一直追求卻仍未實現(xiàn)的目標。由于目前技術條件的進步，液氮沸點（77 K，記為T_N）這一低溫環(huán)境的實現(xiàn)已經(jīng)變得相對比較容易，因此探索T_c高于T_N的高溫超導材料變得非常有意義。碳材料被認為是未來的“芯”材料，已經(jīng)在許多領域展現(xiàn)了其獨特的性能優(yōu)勢；也在部分碳基材料中發(fā)現(xiàn)了超導電性，比如金剛石、石墨烯、碳納米管和足球烯，但是超導轉變溫度均低于T_N。  

　　為了探索具有更高T_c的碳材料超導體，鐘國華博士與其合作者設計了兩種新型籠狀網(wǎng)絡碳結構，并通過摻雜金屬改性對其超導性進行了系統(tǒng)的研究。兩種籠型單元分別為C₂₄和C₃₂，這兩種籠型單元分別通過面共享的形式耦合，形成特定的空間群晶體結構（圖1）。高通量計算發(fā)現(xiàn)，部分金屬摻雜這兩種籠狀網(wǎng)絡結構后在常壓下展現(xiàn)了高溫超導電性，尤其是Na、Mg、Al、in和Tl金屬摻雜C₂₄籠狀網(wǎng)絡晶體后均展現(xiàn)出了超過100 K的高溫超導電性，這不僅遠超過金剛石、石墨烯、碳納米管和足球烯等常見碳材料的超導轉變溫度，也明顯高于了T_N（圖2）。研究進一步揭示，籠狀結構的耦合是一個關鍵因素，這驅動了比其他碳材料更強的電-聲耦合相互作用，從而導致了更高的T_c。同時，研究也發(fā)現(xiàn)，籠狀網(wǎng)絡碳化物的超導電性對摻雜金屬的電負性和摻雜濃度也具有較強的依賴性，弱電負性和高摻雜濃度更易導致更高的T_c（圖3）。該研究工作不僅報道了兩種新型的碳結構高溫超導體，也理論指出碳原子形成的籠狀網(wǎng)絡結構是探索高溫超導體的一個新方向。   

　　該研究得到國家自然科學基金和深圳市基礎研究項目的資助支持。   

圖1.（a）-（c）對應為C₂₄籠單元和 C₂₄籠耦合后形成的網(wǎng)絡狀結構，不同方向視圖。（d）-（f）對應為C₃₂籠單元和 C₃₂籠耦合后形成的網(wǎng)絡狀結構，不同方向視圖。

圖2. 碳材料或含碳材料的超導轉變溫度比較，紅色符號代表了本研究結果。

圖3. 其他元素摻雜C₂₄籠后，超導轉變溫度與摻雜元素電負性和價態(tài)的關系。  

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　　聯(lián)系人：鐘國華  

　　中國科學院深圳先進技術研究院  

　　Email: gh.zhong@siat.ac.cn