突破高压难题：揭开 H3S 超导能隙的神秘面纱

《Nature》：Superconducting gap of H3S measured by tunnelling spectroscopy

为解决富氢超导体超导配对机制不明的问题，研究人员开展对高温超导体 H3S 及其氘化物 D3S 超导能隙结构的研究。结果表明二者均为全隙结构，还发现另一超导相。该研究为超导机制提供依据，助力理解高温超导起源。

　　在科学探索的前沿领域，超导研究一直备受瞩目。富氢超导体的出现，为实现更高温度下的超导带来了希望。其中，H₃S 超导体以其约 200K 的超导转变温度（T_c）引发了科学界的广泛关注，这一发现也极大地推动了人们对室温超导的探索。然而，在这一充满潜力的研究领域，仍存在诸多谜团。虽然科学家们已经对氢化物的宏观超导特性，如电阻、磁化和上临界场等进行了较为深入的研究，但对于这些材料中至关重要的超导配对机制，却知之甚少。理论上虽提出强电子 - 声子相互作用和高频声子是富氢超导体中形成库珀对的关键因素，可一直缺乏实验验证。而且，不同理论计算方法得出的超导参数差异较大，使得对超导能隙大小和对称性的定量测定成为当务之急，这对于完善理论理解、预测氢化物超导性意义重大 。

在这样的研究背景下，来自德国马克斯?普朗克化学研究所（Max Planck Institute for Chemistry）等多个研究机构的研究人员组成团队，开启了一场对 H₃S 超导能隙的探索之旅。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为超导领域带来了新的曙光。

研究人员为了深入探究 H₃S 和 D₃S 的超导能隙结构，采用了多种关键技术方法。在样品制备方面，他们在金刚石对顶砧（Diamond Anvil Cell）中，分别以 S + H₂和 S + D₂为前驱体，成功合成了 H₃S 和 D₃S 的平面隧道结。利用 X 射线粉末衍射技术对合成样品的晶体结构进行表征，同时运用四探针法测量样品的电阻，采用电流偏置四探针配置测量微分电导（dI/dV） 。通过这些技术手段，全面获取样品的相关信息。

下面来详细了解一下研究结果：

• H₃S 的超导能隙：研究人员对 H₃S - S1 样品的电阻和晶体结构进行研究，发现其电阻在 T_c^onset=197K 时急剧下降，在 T_c^zero=190K 时降为零，表明超导相的形成；X 射线粉末衍射证实其为高纯度单相 H₃S，具有 Im³m 晶体结构。在 20K 下对 H₃S - S1 进行微分电导测量，隧道谱显示出一对相干峰，位于相对于费米能对称的位置（Δ^p_{H3S - S1}≈±32meV），能隙以下微分电导几乎降为零，呈现 U 型结构，这是无节点超导能隙结构的特征。通过用单 s 波 Dynes 模型拟合隧道谱，得出 H₃S 的能隙值 Δ_H3S≈30 (±1.5) meV 。研究人员还对 H₃S - S2 和 H₃S - S3 样品进行测量，结果表明它们也具有完全开放的能隙结构，进一步验证了 H₃S 能隙的特征 。此外，研究磁场对 H₃S - S3 隧道谱的影响时发现，磁场有效抑制了相干峰，证实了能隙特征的超导起源 。
• D₃S 的超导能隙：合成的 D₃S 样品与 H₃S 具有相同的 Im³m 晶体结构。20K 下的隧道谱显示，在能量位置 Δ^p_D3S≈±25meV 处有两个扭结，对应相干峰，能隙结构与 H₃S 一样呈 U 型。用 Dynes 模型拟合得到 D₃S 的能隙值 Δ_D3S≈22meV 。D₃S 较小的能隙值和全隙特征，证实了 H₃S 超导体中声子介导的配对机制 。在高偏压 ±60mV 附近，D₃S 隧道谱出现明显的阶梯状结构特征，可能对应于能量差约为 38meV 的 D₃S 玻色子声子模式的非弹性散射 。
• 多相硫化氢的超导能隙特征：研究人员发现多相硫化氢样品 H₃S - S4 在 2K 时的隧道谱具有双能隙特征。除了对应 H₃S 超导能隙的约 30meV 相干峰外，在约 8meV 处还有一个扭结。该扭结随温度升高而被抑制，40K 以上消失，对应于另一个伴随的超导相 H_xS 。电阻测量显示 H_xS 的超导转变温度 T_c(H_xS) 约为 40K 。X 射线粉末衍射数据表明样品包含多种不同相，其中一个区域的 X 射线粉末衍射图案无法用已知相解释，可能与 H_xS 超导相有关，但目前还无法确定其晶体结构 。

研究结论和讨论部分具有重要意义。通过隧道谱观察到的 H₃S 和 D₃S 的超导能隙，为它们的超导性提供了明确证据。观察到的同位素效应和推断的 s 波能隙对称性表明，声子介导的库珀对配对是 H₃S 中的主要机制 。然而，实验测得的 H₃S 超导能隙值和 2Δ/k_BT_c(H₃S - S1) 比值小于不同理论计算结果，这一差异需要进一步深入研究 H₃S 超导起源来解释 。此外，在多相硫化氢样品中观察到的多能隙特征，揭示了伴随超导相的存在，这也呼吁对存在多种超导相的氢化物进行更全面的研究 。该研究团队使用的隧道技术若应用于其他氢化物系统，如金属超氢化物的研究，将有助于解释高温超导（High T_c）的起源，为寻找具有更高 T_c且在更低压力下的新材料指明方向 。这项研究成果为超导领域的发展注入了新的活力，推动着科学家们在探索高温超导奥秘的道路上不断前行。