超越30K的元素超导体 | 前沿快讯No.38

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

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寻找高超导转变温度的超导体是物理科学中最重要的研究课题之一，元素超导体因其组成的简单性而受到越来越多的关注。已知约有20种元素固体在常压下具有超导电性，其中铌Nb具有最高的超导转变温度9.2 K，对应合金NbTi因其优异的超导性能而被广泛应用。高压技术是一种强大的工具，在探索新的元素超导体和调控超导电性方面发挥着重要的作用。对于简单的元素金属，高压通常会抑制超导转变温度，因为电子能带展宽，并导致费米能量附近的态密度降低，晶格刚度是超导转变温度在压力下下降的另一个重要因素。然而，这些压力对超导的影响可能受到与键合或相变相关的细微结构和电子变化的影响。压力也可以使非超导金属，甚至是在环境压力下的绝缘固体在高压下具有超导性。例如，钙Ca在环境压力下是非超导的，但在161 GPa时表现出高的转变温度 25 K，绝缘硫在200 GPa时表现出17K的超导电性。

本文作者中国科学院物理研究所Xin He(何鑫)等在实验上发现密集压缩的钪（Sc）成为第一个超导转变温度突破30K的元素超导体，与经典的La-Ba-Cu-O和LaFeAsO体系相当。结果显示，Sc的超导转变温度从43 GPa左右的3K附近增加到283 GPa左右的32K附近，远高于液氖温度。更有趣的是，在实验中达到的最大压力下，测量的超导转变温度没有饱和的迹象，表明进一步压缩后的超导转变温度可能更高。研究结果为探索不同元素固体在超高压下的高温超导电性提供了新的素材。

图一 金属Sc超导转变温度和晶体结构高压相图。

相关研究成果以Superconductivity above 30 K Achieved in Dense Scandium为题，作为Express Letter发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 40, 107403 (2023)上。

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/10/107403/pdf

2

人造自旋冰纳米磁性阵列为深入理解阻挫相互作用有关的集体行为提供了一个重要的窗口。设计阵列结构和微观探测组合力矩构型的能力揭示了一系列不同的现象，包括拓扑激发，有效磁单极子，和各种类型的排序。现有人造自旋冰中的基本磁自由度最典型的是与单畴铁磁纳米磁铁有关的类伊辛二元磁矩，实验上，这种结构通常以体育场状的形状的导或单根线实现，因此它的形状各向异性使得磁矩沿几何长轴排列，或形成具有垂直磁各向异性的圆盘。一些研究组已经测试了具有XY对称性的圆形岛状结构、构建能产生有效的四极矩的矩形或紧密成对的体育场形状的岛状结构。在上述每一种情况下，基本结构单元都能和原子磁矩对应。

本文作者耶鲁大学应用物理系Xiaoyu Zhang等人研究了纳米磁三脚相互作用阵列的集体行为。与通常的两种类伊辛磁矩态不同，纳米磁三脚相互作用阵列具有六种离散的磁矩态。实验数据表明，三角形晶格阵列形成了一个“三脚架冰”，在有效的顶点磁电荷之间表现出出电荷序，类似于人工笼目晶格自旋冰。结果表明，相互作用的三脚架具有可作为局部变量的有效磁矩，与研究充分的Potts和时钟模型有很强的联系。此外，在热化过程中，三脚架力矩表现出最近邻排列的趋势，将该系统与笼目晶格自旋冰区别开来。其研究结果为研究在其他物理系统中难以实现的非二元磁矩的集体行为开辟了一条新的道路。

图二 磁性三脚阵列。

相关研究成果以Artificial Magnetic Tripod Ice为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 131, 126701 (2023)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.126701

3

约瑟夫森效应是超导相位相干的典型表现，其特征是库珀对通过超导结的相干隧穿。约瑟夫森隧道结通常表现出与超导相位差ϕ的正弦成正比的超电流，对应标准的约瑟夫森效应。一般来说，也存在与超导相位差ϕ的余弦成正比的超电流，对电流的电阻分量有关，包括具有交替偏置的相位响应等，并伴随着微观电子延迟效应。

图三 约瑟夫森对电流的主要微观过程。

本文作者德国乌尔茨堡大学理论物理与天体物理研究所Aritra Lahiri等发现，随时间剧烈变化的电压脉冲对于余弦项有着显著的影响。其与正弦项相互作用，在接近零频的束缚态存在时，引起正比于sinϕ/2的非平衡分数约瑟夫森效应。微观分析表明，非平衡虚准粒子激发的干涉是造成这一现象的原因。对于具有马约拉纳束缚态的拓扑约瑟夫森结也进行了相关分析。不同于传统的约瑟夫森效应，非平衡分数约瑟夫森效应与基态的费米子奇偶性无关。这种尚未被探索的机制对于高频应用是无价的，包括数字超导电子学以及利用电磁脉冲应用于约瑟夫森隧道的超导量子信息处理等。

图四 非平衡分数约瑟夫森效应向标准约瑟夫森效应的转变。

相关研究成果以Nonequilibrium Fractional Josephson Effect为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 131, 126301 (2023)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.126301

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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