超硬材料網(wǎng)

       復(fù)雜形變下鉆石呈現(xiàn)出內(nèi)稟超導(dǎo)電性鉆石（金剛石）因其無與倫比的堅硬耐磨、純凈無暇和璀璨奪目，被奉為“寶石之王”。自古以來，各種美好的神話和歷史傳說，賦予了鉆石獨特的神秘色彩，也增添了人們對她的熱衷和喜愛，還促成了源遠流長、博大精深和影響深遠的鉆石文化。

       二十世紀之后，科學(xué)界對鉆石的力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等物理性質(zhì)進行了系統(tǒng)的探索，逐漸又發(fā)現(xiàn)了她在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和技術(shù)革新等領(lǐng)域的優(yōu)勢引領(lǐng)價值。一方面，鉆石或鉆石基復(fù)合材料被系統(tǒng)地結(jié)合到切割、研磨、鉆探工具中，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探和精密加工領(lǐng)域；另一方面，鉆石的優(yōu)異力學(xué)和光學(xué)特性造就了對頂砧的優(yōu)化和應(yīng)用，并把高壓科學(xué)和技術(shù)推到了現(xiàn)代科學(xué)研究的前沿，為超高壓下新材料的設(shè)計和制備，以及天體形態(tài)和演化的奧秘的探索提供了強有力工具。近年來，科學(xué)界對鉆石的研究興趣更為活躍，尤其是最新發(fā)展的納米結(jié)構(gòu)材料的獨特性質(zhì)，以及鉆石在復(fù)雜極端條件下的奇異行為。相關(guān)前沿研究要求科學(xué)界對在廣泛的加載條件下對鉆石的結(jié)構(gòu)和物性響應(yīng)行為，以及相應(yīng)的物理機理有更深入的理解。

       鉆石的晶體中，碳原子通過三維強共價sp3雜化軌道成鍵，并形成正四面體結(jié)構(gòu)。其價電子高度局域在共價鍵區(qū)域，不參與導(dǎo)電，因此，鉆石是一種寬帶隙絕緣體。鉆石的導(dǎo)熱系數(shù)遠高于傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體，并且能服役于極強電場。如果晶格中存在可自由移動的傳導(dǎo)電子，鉆石還將在電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用空間。因此，理論和實驗工作者都大量研究并報導(dǎo)了摻硼鉆石的具有導(dǎo)電，甚至超導(dǎo)的現(xiàn)象，實現(xiàn)了外部引入載流子的無損耗傳導(dǎo)。

       2019年11月，吉林大學(xué)和美國內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校的科研團隊系統(tǒng)研究了鉆石在復(fù)雜應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和物理性質(zhì)演化行為。研究結(jié)果顯示：高壓和高剪切共存的加載條件可有效抑制鉆石原子間的脆性斷裂模式，促使鉆石這一自然界硬度最高的脆性材料，在原子尺度呈現(xiàn)出“流暢”的結(jié)構(gòu)延展性。同時，鉆石的獨特結(jié)構(gòu)“蠕變行為”，伴隨著其電子帶隙的閉合，促使電子在晶格的導(dǎo)電通道中“流暢”地傳導(dǎo)，使鉆石呈現(xiàn)出電子傳導(dǎo)性[Phys. Rev. Lett.123, 195504 (2019)]。近日，該團隊通過進一步理論研究發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變的增大，鉆石中費米面處的電子態(tài)密度顯著增加，并伴隨著晶格振動模式的軟化行為。鉆石傳導(dǎo)電子與晶格振動發(fā)生的強烈耦合行為，誘導(dǎo)出由聲子機制驅(qū)動的、無需外部引入載流子的內(nèi)稟超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)溫度達2.4～12.4 K。這些新近發(fā)現(xiàn)的奇異結(jié)構(gòu)延展性、電子傳導(dǎo)性和超導(dǎo)特性，極大地豐富了鉆石的內(nèi)稟屬性，也改變了人們對超硬材料的傳統(tǒng)認知。此外，作為超高壓實驗的壓力產(chǎn)生裝置，金剛石對頂砧被廣泛應(yīng)用在凝聚態(tài)物質(zhì)的光、電學(xué)等信號的原位實驗測試和表征研究。本研究發(fā)現(xiàn)的鉆石新奇內(nèi)稟物性，將對超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的原位光譜和電輸運物性的實驗測量和分析，以及實驗儀器的設(shè)計和優(yōu)化，具有重要指導(dǎo)作用。

       本研究是在吉林大學(xué)李全教授和馬琰銘教授與美國內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校陳長風教授合作下，共同指導(dǎo)博士研究生劉暢和宋賢齊完成。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0703400），國家自然科學(xué)基金（11622432，11474125，11534003）和吉林大學(xué)科技創(chuàng)新團隊計劃等項目的資助。研究成果以“Superconductivity in Compression-Shear Deformed Diamond”為題，于2020年4月6日發(fā)表于美國物理學(xué)會《Physical Review Letters》雜志上，并被遴選為編輯推薦文章。