北京
富氢化物近室温超导材料的发现，激发了人们探索轻元素主导高温超导电性的研究兴趣。按照这一思路，氧作为另一种常见的轻元素，理论上应该具备增强电-声耦合（EPC）进而实现高Tc的潜力。然而，在实际的金属氧化物中，由于氧原子具有极强的电负性，很难对费米面附近态密度（N(EF)）有较大贡献，从而氧原子晶格的声子振动模式也无法带来强的EPC。因此，如何克服氧强电负性带来的束缚，寻找能够实现强金属-氧共价键杂化进而激活由轻元素氧晶格主导的强EPC机制超导体，是非常值得探索的前沿课题。
作为典型的5d过渡金属氧化物，ReO₃具有独特的“A缺位”钙钛矿结构，因其Re-5d与O-2p轨道间强烈杂化而在常压下展现出堪比铜、银的极高导电率。在高压驱动下，其共角连接的ReO₆八面体发生连续的耦合旋转，并伴随着系列晶体结构相变。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心程金光研究员团队在ReO₃的高压超导研究中取得了突破性进展。研究团队结合高压同步辐射X射线结构、高压电输运和磁化率以及第一性原理计算，在ReO₃的菱方-I（R-I）高压相中发现了覆盖12~39 GPa的超导圆顶，最高超导Tc达到约17.8 K，刷新了目前已知的5d过渡金属氧化物超导体的最高Tc纪录。研究表明，当ReO₃在超过12 GPa进入R-I相时，ReO₆八面体发生耦合旋转，氧原子晶格转变为扭曲的三角格子，并随加压至30GPa以上时演变为近乎完美的六方密堆积构型。这种氧原子层高度致密化的堆积方式在其他氧化物材料中极其罕见。一方面，这不仅极大地增强了Re-5d与O-2p的轨道杂化，使得30 GPa下的N(EF)比常压翻倍，大幅提高了氧的电子轨道对N(EF)的贡献；另一方面，这种独特的致密氧原子堆积构型相关的声子振动模式极大地增强了EPC，电-声耦合常数λ从常压下的~0.2大幅提升至34 GPa下的0.9，而氧晶格对总EPC的贡献高达约50%。正是由于高压增强的共价杂化和氧晶格主导的电-声耦合协同作用，才实现了如此高的Tc，因此高压R-I相的ReO₃可以被视为一种氧化物版本的轻元素超导体。这项研究不仅表明轻元素氧晶格在辅助实现高Tc超导电性中的关键作用，而且可为后续通过高压合成或调控金属氧化物探索新型超导材料提供了新思路。
图. 高压下ReO₃的晶体结构演化、超导相图及5d金属氧化物超导Tc对比。
相关研究成果以“Discovery of record-breaking high-Tc superconductivity among 5d transition-metal-oxides up to 17.8 K in ReO₃”为题发表在《National Science Reviews》。中国科学院物理研究所博士生（已毕业）单鹏飞、博士后芦腾龙以及刘子儀副研究员为论文共同第一作者，物理所孙建平副研究员、刘淼研究员和程金光研究员为论文共同通讯作者。物理所杨芃焘副主任工程师、董晓莉研究员、王铂森研究员，武汉科技大学焦媛媛博士，北京高压科学研究中心博士后冯嘉嘉、陈斌研究员，郑州大学马良副研究员，东京大学Yoshiya Uwatoko教授共同参与了本工作。该工作使用了上海光源（SSRF）、综合极端条件实验装置（SECUF）等大科学设施，并得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院等项目的支持。
编辑：毅大约的确如此
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