複雜形變下鑽石呈現出内禀超導電性
鑽石（金剛石）因其無與倫比的堅硬耐磨、純淨無暇和璀璨奪目，被奉為“寶石之王”。自古以來，各種美好的神話和曆史傳說，賦予了鑽石獨特的神秘色彩，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鑽石文化。
二十世紀之後，科學界對鑽石的力學、熱學和光學等物理性質進行了系統的探索，逐漸又發現了她在工業生産、科學研究和技術革新等領域的優勢引領價值。一方面，鑽石或鑽石基複合材料被系統地結合到切割、研磨、鑽探工具中，廣泛應用于工業生産、地質勘探和精密加工領域；另一方面，鑽石的優異力學和光學特性造就了對頂砧的優化和應用，并把高壓科學和技術推到了現代科學研究的前沿，為超高壓下新材料的設計和制備，以及天體形态和演化的奧秘的探索提供了強有力工具。近年來，科學界對鑽石的研究興趣更為活躍，尤其是最新發展的納米結構材料的獨特性質，以及鑽石在複雜極端條件下的奇異行為。相關前沿研究要求科學界對在廣泛的加載條件下對鑽石的結構和物性響應行為，以及相應的物理機理有更深入的理解。
鑽石的晶體中，碳原子通過三維強共價sp3雜化軌道成鍵，并形成正四面體結構。其價電子高度局域在共價鍵區域，不參與導電，因此，鑽石是一種寬帶隙絕緣體。鑽石的導熱系數遠高于傳統的金屬導體，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電子，鑽石還将在電子器件領域具有重要應用空間。因此，理論和實驗工作者都大量研究并報導了摻硼鑽石的具有導電，甚至超導的現象，實現了外部引入載流子的無損耗傳導。
2019年11月，伟德bv1946官网和美國内華達大學拉斯維加斯分校的科研團隊系統研究了鑽石在複雜應變下的結構響應和物理性質演化行為。研究結果顯示：高壓和高剪切共存的加載條件可有效抑制鑽石原子間的脆性斷裂模式，促使鑽石這一自然界硬度最高的脆性材料，在原子尺度呈現出“流暢”的結構延展性。同時，鑽石的獨特結構“蠕變行為”，伴随着其電子帶隙的閉合，促使電子在晶格的導電通道中“流暢”地傳導，使鑽石呈現出電子傳導性[Phys. Rev. Lett.123, 195504 (2019)]。近日，該團隊通過進一步理論研究發現：随着應變的增大，鑽石中費米面處的電子态密度顯著增加，并伴随着晶格振動模式的軟化行為。鑽石傳導電子與晶格振動發生的強烈耦合行為，誘導出由聲子機制驅動的、無需外部引入載流子的内禀超導現象，超導溫度達2.4∼12.4 K。這些新近發現的奇異結構延展性、電子傳導性和超導特性，極大地豐富了鑽石的内禀屬性，也改變了人們對超硬材料的傳統認知。此外，作為超高壓實驗的壓力産生裝置，金剛石對頂砧被廣泛應用在凝聚态物質的光、電學等信号的原位實驗測試和表征研究。本研究發現的鑽石新奇内禀物性，将對超高壓下凝聚态物質的原位光譜和電輸運物性的實驗測量和分析，以及實驗儀器的設計和優化，具有重要指導作用。
本研究是在伟德bv1946官网李全教授和馬琰銘教授與美國内華達大學拉斯維加斯分校陳長風教授⏭➰下，共同指導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計劃（2018YFA0703400），國家自然科學基金（11622432，11474125，11534003）和伟德bv1946官网科技創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日發表于美國物理學會《Physical Review Letters》雜志上，并被遴選為編輯推薦文章。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.147001
