北京高压科学研究中心岳彬彬团队揭示了范德华材料HfS2多重超导转变的结构起源

       过渡金属二硫化物因其二维层状结构和卓越的电子特性而受到广泛关注，譬如电荷密度波态、超导态等。由于其层间通过很弱的范德华力进行连接，压力可以有效调节这类范德华材料的原子层间相互作用、层间堆垛方式，从而改变其电子行为，进而极大地丰富人们对这类量子材料的物理认知。例如，压力可以诱导2H-MoS₂从绝缘体转变为金属，并最终转变为超导体；相似的行为也可以在TaS₂中被观察到。然而，对于常压下为半导体/绝缘体的过渡金属二硫化物，它们的超导电性通常在非常高的压力下才能呈现出来。而且由于这类材料对压力的敏感性，不同的压力环境可能会导致物性和结构上的差异。例如1T- HfS₂在超高压力下就表现出了不同的超导性。同时，这类材料在高压下是否会解离出硫单质也是一大值得关注的问题，因为这可能会产生源于析出硫单质的非本征超导电性。那么，是什么原因导致在相同的过渡金属二硫化物中出现显著的超导电性差异？高压-低温条件下是否存在复杂的相变和超导态？高压低温下样品是否会发生硫单质析出从而影响这类材料的超导性？

       为了回答以上这些问题，北京高压科学研究中心的岳彬彬研究员带领的研究小组对1T- HfS₂进行了系统的原位高压-低温晶体结构、电输运性质研究。在超高压条件下，该小组观察到了多重超导转变，原位低温X射线衍射表明这种多重超导转变与压力-低温诱导的晶体结构转变相关，并且观察到了超越弱耦合泡利极限的上临界场。相关研究以“Pressure-Sensitive Multiple Superconducting Phases and Their Structural Origin in Van der Waals HfS₂ Up to 160 GPa”为题发表于《物理评论快报》上。

       该研究团队利用标准四电极法，以更软的KBr为传压介质，通过对1T- HfS₂单晶样品的低温电输运测量，最终观察到了转变温度T_c高达~16.4 K的超导态，这也是过渡金属硫化物中的最高纪录。超导转变温度T_c随着压力持续升高，在158 GPa的压力下仍未饱和，有望在更高压力下实现更高温度的超导转变。同时，图1(a)的原位低温电阻测量显示，HfS₂中的超导转变表现出明显不同的三个阶段，三个阶段对外部磁场表现出显著不同的响应。这些表明1T- HfS₂在高压下表现出多重的超导电性转变。图1(b)中，高T_c超导相(SC-I)的上临界场还超过了弱耦合的泡利极限，不仅使HfS₂成为上临界场最高的块体过渡金属二硫化物超导体，也意味着存在非常规超导电性的可能性。

       为了研究HfS₂在超高压力下多个超导态的结构起源，该研究小组对1T- HfS₂进行了原位低温、高压下（11 K，154 GPa）的X射线衍射测量(图2)。原位低温X射线衍射结果直接排除了硫的分解，揭示HfS₂在超高压下由低温诱导的I4/mmm至R-3m结构转变。在11 K的温度下，I4/mmm与R-3m两种结构并存，这是导致HfS₂出现多个超导相的原因。结合理论计算，HfS₂的高Tc超导相 (SC-I) 可以归结于R-3m结构，第二个超导相 (SC-II, T_c~11.4 K) 则来源于I4/mmm结构。

        这些结果表明，HfS₂在高压下存在与新型结构相关的非常规超导电性，这对探索类似4f电子系统中的非常规超导性具有重要意义，将有助于研究非常规超导性、结构和电子构型之间的相互作用。此外，HfS₂创造了目前过渡金属二硫化物中最高的T_c和上临界场纪录，其结构演变导致的超导电性变化可以为此类压力敏感材料的物性调控提供重要参照。

       该工作的得到了综合极端条件实验装置、日本SPring8光源、上海光源、科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大项目、面上项目、青年项目的资助与支持。该文章第一作者为北京高压科学研究中心的博士研究生钟韦，通讯作者为岳彬彬研究员以及中国科学院物理研究所的洪芳副研究员。同时，西班牙瓦伦西亚大学Daniel Errandonea教授和土耳其萨卡里亚大学Ertugrul Karaca教授在计算方面做了大量工作。