摘要：高温超导性的探索一直是凝聚态物理领域最引人入胜的课题之一。在过去的几十年里，科学家们不断挑战材料的物性极限，试图在更高的温度下实现超导态。近年来，富氢化合物在高压下的超导电性取得了突破性进展，特别是硫化氢（H₃S）在高压下展现出的高达203开尔文（约-70°C
高温超导性的探索一直是凝聚态物理领域最引人入胜的课题之一。在过去的几十年里，科学家们不断挑战材料的物性极限，试图在更高的温度下实现超导态。近年来，富氢化合物在高压下的超导电性取得了突破性进展，特别是硫化氢（H₃S）在高压下展现出的高达203开尔文（约-70°C）的超导临界温度（Tc），极大地激发了人们对高压下氢基材料超导机制的研究热情。然而，要深入理解这些材料的超导特性，并最终实现室温超导的宏伟目标，仅仅知道Tc是不够的。超导能隙作为超导态最本质的特征之一，直接反映了超导电子对的束缚能，其大小和对称性蕴含着超导配对机制的微观信息。测量并解析高压下材料的超导能隙，对于揭示其超导起源具有决定性作用。
然而，在高压环境下对材料进行精细的电子结构测量是极具挑战性的。特别是隧穿谱学，作为一种能够直接探测材料态密度变化的强大技术，在常压下广泛应用于超导能隙的测量，但在兆帕级的超高压环境中实施却异常困难。传统的隧穿结制备和测量技术在高压下难以稳定工作，这成为了限制高压超导体微观研究的一个重要瓶颈。正是在这样的背景下，题为“Superconducting gap of H₃S measured by tunnelling spectroscopy”的论文，通过开发创新的实验技术，首次成功测量了高压下H₃S的超导能隙，为理解这种极端条件下的高温超导性提供了直接的实验证据。
这篇发表在《自然》杂志上的研究，其核心突破在于在高压金刚石压砧池（DAC）中成功构建并进行了隧穿谱学测量。研究团队没有采用传统的易受压力影响的薄膜隧穿结，而是巧妙地发展了一种适用于高压环境的平面隧穿结技术。通过这种技术，他们能够在承受巨大压力的同时，实现隧穿电流的稳定测量，从而获取H₃S在超导态下的微分电导谱。
隧穿谱学测量的原理是基于隧道效应：当两个导体之间存在一个极薄的绝缘势垒时，电子可以穿过势垒从一个导体隧穿到另一个。如果在其中一个导体是超导体，其电子态密度在费米能级附近会打开一个超导能隙（Δ），态密度分布呈现出独特的特征，包括能隙边缘的相干峰和能隙内的零态密度区域。测量隧穿电流随偏置电压（V）变化的微分电导（dI/dV），可以直接反映超导体准粒子态密度随能量的变化。通过分析dI/dV谱线的形状，可以确定超导能隙的大小（2Δ）以及超导配对的对称性。对于典型的s波超导体，dI/dV谱在零偏压附近会呈现出V形或U形的低电导区域，并在±Δ处出现明显的峰（相干峰），这与BCS理论预测的超导态密度分布相符。
在高压下进行这样的测量，其难度可想而知。金刚石压砧池需要在狭小的空间内对样品施加巨大的压力，同时还需要引入电极进行输运测量。制备一个稳定且具有良好隧穿势垒的结构，并在如此苛刻的条件下保持其完整性和电学性能，是这项研究的关键挑战。该研究团队克服了这些技术难题，成功地在H₃S样品上实现了可靠的隧穿谱学测量。
他们的实验结果清晰地展示了H₃S在超导态下的隧穿谱特征。在低于其Tc的温度下，测得的dI/dV谱在零偏压附近呈现出典型的超导能隙结构：低电导区域和两侧的相干峰。通过对这些谱线进行详细分析和拟合，研究人员确定了H₃S的超导能隙大小。他们发现，H₃S的隧穿谱可以很好地用一个单一的s波Dynes模型来描述，这表明H₃S的超导能隙是各向同性的，即在费米面上没有节点，符合s波配对的特征。测得的超导能隙值2Δ大约为60 meV。
这项研究的另一个重要发现是测量了H₃S的氘代物D₃S的超导能隙。氘是氢的同位素，质量是氢的两倍。在基于电子-声子相互作用的超导理论中，Tc与材料的离子质量M的平方根成反比（即同位素效应，Tc∝M^−α，其中α为同位素效应指数，对于简单的声子机制α≈0.5）。超导能隙Δ也与Tc紧密相关。因此，测量H₃S和D₃S能隙的变化是检验电子-声子相互作用是否是超导机制的关键证据。研究发现，D₃S的超导能隙2Δ约为44 meV，明显小于H₃S的能隙。这种同位素引起的能隙变化，与电子-声子耦合机制的预测高度一致，有力地支持了在高压下H₃S的高Tc是由强大的电子与晶格振动（声子）相互作用驱动的。
这项研究成果具有重大的科学意义。首先，它首次直接提供了在高压下H₃S超导能隙的实验数据，填补了实验测量的空白，为理论计算提供了重要的对比和验证。长期以来，理论预测H₃S是电子-声子耦合机制下的高温超导体，其高Tc源于轻质量氢原子在高压下形成的特殊晶体结构以及由此产生的强烈电子-声子耦合。隧穿谱学对能隙的直接测量以及同位素效应的观察，为这些理论预测提供了坚实的实验基础。
其次，这项研究展示了在高压下进行隧穿谱学测量的可行性。所开发的平面隧穿结技术为今后研究其他高压下的新奇超导体（包括其他富氢化合物、含氢化物以及其他在高压下表现出特殊性质的材料）的超导能隙和配对机制开辟了新的道路。这对于全面理解高压下的物质性质以及探索非常规超导机制至关重要。
最后，这项工作也为实现室温超导的最终目标提供了宝贵的启示。确认H₃S的高Tc是基于传统的电子-声子耦合机制，表明在极端条件下，即使是已知的相互作用方式也可能导致远超预期的超导温度。这提示我们，在寻找室温超导材料时，除了探索新颖的配对机制，也应继续深入研究如何在适当的材料结构和条件下最大化电子-声子耦合强度。
来源：万象经验一点号
