Supraleitung mit Tc bis zu 32 K findet sich in Boriden

Supraleiter mit hoher Übergangstemperatur (SCs mit hohem Tc) sind aufgrund ihres bedeutenden wissenschaftlichen und anwendungsbezogenen Werts seit langem gesuchte Ziele in der Physik der kondensierten Materie und in den Materialwissenschaften. Seit der Entdeckung der Supraleitung in Quecksilber vor mehr als hundert Jahren weisen nur eine Handvoll Systeme eine Tc von mehr als 30 K auf.

Wissenschaftler der ShanghaiTech University und ihre Mitarbeiter an der Renmin University of China entdeckten in MoB2 unter Druck eine Supraleitung von bis zu 32 K, was die bisher höchste Tc in Übergangsmetallboriden darstellt. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift National Science Reviewwerfen Licht auf die Erforschung von Hoch-Tc-Supraleitern in Übergangsmetallboriden.

Molybdändiborid (MoB2) ist in der MB2-Familie einzigartig, da es das einzige Material ist, das zwei Strukturformen aufweist, die α-MoB2-Phase (AlB2-Typ) und die β-MoB2-Phase (CaSi2-Typ).

Synchrotron-Röntgenbeugungsmessungen (XRD) zeigen, dass sich β-MoB2 bei etwa 65 GPa in α-MoB2 umwandelt, das die gleiche Kristallstruktur wie MgB2 besitzt.

„Natürlich stellt sich die Frage: Ist es möglich, in MoB2 unter hohem Druck Supraleitung zu erreichen?“ sagte Dr. Yanpeng Qi, Assistenzprofessor an der School of Physical Science and Technology der ShanghaiTech University und einer der korrespondierenden Autoren.

„Also führten wir die In-situ-Hochdruck-Elektrotransportmessungen durch. Supraleitung wird bei 21,7 GPa beobachtet und Tc steigt mit dem Druck. Jenseits des kritischen Drucks (Pc = 70 GPa), wo der strukturelle Phasenübergang stattfindet, verlangsamt sich das Wachstum von Tc.“ und der maximale Tc von 32,4 K wird bei P = 109,7 GPa erreicht, was dem höchsten Druck entspricht, den wir auf die Probe ausüben.“

Weitere theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass das komprimierte MoB2 zwar eine ähnliche Struktur und eine vergleichbare Tc wie MgB2 aufweist, der supraleitende Mechanismus des ersteren jedoch völlig anders ist als der des letzteren: Die d-Elektronen und Phononenmoden der Mo-Atome des Übergangsmetalls spielen eine äußerst wichtige Rolle in der Entstehung der Supraleitung im Gegensatz zur Dominanz von p-Elektronen und Phononenmoden von B-Atomen in der Supraleitung von MgB2.

Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse verdeutlichen die Rolle von Übergangsmetallen bei der Supraleitung in Boriden, die bei Boriden bisher unterschätzt wurde. Ihre Entdeckung der Supraleitung von MoB2 mit ziemlich hohem Tc-Wert könnte auch Aufschluss über die Erforschung der Supraleitung mit hohem Tc-Wert in Systemen mit leichten Elementen geben, wenn man die Synergieeffekte leichter Elemente mit hochfrequenten Phononenmoden und stark korrelierten Elektronen in Übergangsmetallen berücksichtigt.