单质铋是一种非常特别的元素,其杂化的p轨道使铋拥有非常丰富且有趣的物理现象,因此得到了许多科学家的注意。铋在高压下会相继出现铋-II、铋-III和铋-V超导相,而过去这三个相的超导性质只有它们Tc的报道,并没有特别详细的超导性质的测量数据。最近,闻海虎教授团队的王恩宇,李玉峰同学和祝熙宇副教授等利用高压电阻、高压磁化测量手段详细的测量了三个相的超导性质,给出了铋-II与铋-III相的上零界场,及铋在压力下的相图。另外对于压力诱导的含铋元素的超导体,这一结果可以为排除其中可能的铋的超导性提供参考。

铋在室温下,随着外加压力的变化,接连出现多个结构相变:常压相铋-I相(砷型, R3mh)到铋-II相(monoclinic, c12/m1)在大约2.55 GPa,铋-II相到铋-III相(host-guest结构, I4/mcm)在大约2.70 GPa,以及铋-III相至铋-V相(bcc, Im−3m)在大约7.7 GPa。铋-IV相(orthorhombic, Cmca)是只出现在450 K以上的高温相,因此和我们这里讨论的超导无关。除了铋-I相和铋-IV相,所有以上提到的铋的高压相都在低温下出现超导。如图1所示,是我们对Bi-II相与Bi-III相的上临界场的测量结果。图1(a)是在2.8 GPa下,铋在10 K以下出现的两个超导转变其Tc分别是3.9 K和7 K,分别对应于铋-II相与铋-III相。通过磁场下的测量,依据Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH) 理论得到的铋-II相与铋-III相的上零界场分别为0.103 T与4.56 T,我们可以看到这两个相的上临界场有着非常显著的差异。

图1: (a) 2.8 GPa下,2 K到10 K电阻转变的放大图,可以清楚地看到3.9 K和7 K的超导转变。(b)和(c)铋-II相和铋-III 相在2.80 GPa下不同磁场下测量的电阻率。

图2是我们依据高压的实验结果给出的铋在压下,超导随压力的相图。将铋压到大约2.5 GPa时,其开始出现Tc约3.9 K的超导,同时伴随着铋-I相向铋-II相的结构相变;在2.47 GPa到2.89 GPa的压力区间内,由电阻和磁化测量实验可以看出铋-II相和铋-III相共存;大约2.8 GPa时,铋-III相在7 K左右出现超导,同时其Tc随压力增加负相关;当压力增加到8.1 GPa 以上时,超导转变温度为8.1 K的铋-V相出现。

图2: 铋在压力下的超导的相图。竖直的折线对应着铋在压力下三个连续的结构相变的零界压力,彩色的折线是各个相的Tc随压力变化趋势的参考线。

该工作得到科技部,国家自然科学基金委,以及人工微结构2011协同创新中心的支持,作者对此表示感谢。该工作的作者是:李玉峰,王恩宇,祝熙宇和闻海虎。相关结果于2017年1月20日发表在【PHYSICAL REVIEW B 95, 024510(2017)】上。