近日，高压物理科学研究院崔田教授、黄艳萍副教授团队联合上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员团队，在超高压超导材料研究领域取得重要突破。该团队在相当于地球内核数倍的超高压环境下，发现了一种名叫"三硫化钽"的材料竟然能接连"变身"出三种不同的超导状态，最高超导转变温度达到零下255.75摄氏度，刷新了同类材料的纪录。相关研究成果日前发表在化学领域顶级期刊《美国化学会志》(JACS)上。
超导电性是凝聚态物理学中最重要的量子现象之一，而寻找更高超导转变温度（Tc）的材料始终是该领域的重要目标。准一维材料由于具有强电子关联、显著量子涨落以及丰富的电荷密度波（CDW）现象，被认为是探索新型超导材料及物理机制的重要平台。然而，准一维体系中的量子涨落往往会破坏超导长程相干性，因此已报道的准一维过渡金属三硫化物（TMTCs）超导转变温度普遍低于10 K。单斜相TaS3（m-TaS3）属于典型的准一维过渡金属三硫化物，其晶体结构由TaS6三角棱柱沿链方向连接形成，单胞中存在三对不等效链。此前理论计算预测该体系在高压下可能产生超过20 K的超导电性，但一直缺乏实验验证。
该研究发现，在约5.7 GPa时，随着低温电荷密度波态被抑制，m-TaS3出现超导电性（SC-I相）。继续加压后，在28.7 GPa附近出现超导重入现象，形成第二个超导相（SC-II）。值得注意的是，m-TaS3在88.5 GPa发生等对称结构相变，并且此时出现了第三个超导相（SC-III），Tc为10.1 K。随后在210 GPa，Tc达到17.4 K，刷新了目前准一维过渡金属三硫化物体系中的最高超导转变温度纪录。更重要的是，在实验最高压力下Tc仍未出现饱和趋势，说明该体系未来可能实现更高温度的超导电性。为了进一步理解高Tc超导产生的原因，团队进一步开展了第一性原理计算。结果表明：等对称结构转变导致TaS6三棱柱逐渐发生扁平化畸变，晶体结构由原来的三对不等效链演化为一对不等效链。这种结构重构显著增强了Ta-5d轨道与S-3p轨道之间的杂化作用，提高了费米能级附近的电子态密度。同时，压力诱导的能带重构增强了费米面嵌套，促进电子与声子的相互作用，使电子-声子耦合强度明显提高。这些因素共同驱动了高Tc超导的出现。
该成果深化了人们对低维量子材料中电荷密度波、结构演化与超导电性之间复杂关联的认识，为未来探索更高温度准一维超导体以及设计新型低维量子材料提供了重要思路。