The Innovation | 极端压强下的氢化物高温超导体

导 读

近年来, 高压下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点。目前，研究人员在该领域取得的两个标志性研究是，发现了超导温度约200 K（-73℃）的共价型H₃S富氢超导体和超导温度250-260 K的LaH₁₀等为代表的氢笼合物结构的离子型富氢超导体, 先后刷新了超导温度的新纪录，激发了研究人员在富氢体系寻找和发现室温超导体的热情。

图1 近期富氢超导图表

自1911年荷兰科学家Onnes发现汞具有4.2 K超导温度以来，寻找室温超导体一直是国际学术界关注的焦点之一。根据Bardeen、Cooper和Schreiffer提出的以声子媒介超导理论，高的德拜频率和费米面处的价电子密度，以及强的电声耦合强度是高超导温度的关键。氢是元素周期表第一号元素，具有最轻的原子质量和最高的德拜频率，因此金属氢被认为是实现高温超导的理想体系，但氢在常压以氢分子（H₂）形式存在，是宽带隙的绝缘体。Ashcroft于1968年理论上指出高压强下金属氢是潜在的高温超导体，但所需的实验压强较高，Ashcroft于2004 年再次提出通过非氢元素对氢的化学预压作用来实现金属氢的学术思想，将科学研究人员的目光转移到了高压下的富氢化合物。

晶体结构是材料的最基本信息，是理论计算材料性质的基础。可以通过X射线衍射谱等实验手段来确定晶体的结构，但对于高压下的体系，其衍射信号较弱导致实验上很难确定晶体的结构，而理论上预测晶体结构是克服这个问题有效的方法，同时也为设计具有特殊功能材料提供了一种可靠的手段。

图2 ­­理论预测CaH₆笼型结构

2012年，吉林大学马琰铭教授课题组，提出了碱土金属提高富氢化物超导电性的方案，掺入金属Ca使H₂分子解离为原子氢，显著增加富氢化物的类原子氢比例，基于卡里普索晶体结构预测方法，开展了钙氢体系在高压下的晶体结构搜索，理论预测了首个笼型氢化物高温超导体，并指出其氢笼型单元是高超导电性的关键：笼型单元类氢原子相的氢-氢振动和费米面处的高氢电子态密度强烈耦合，大幅提升了超导温度，理论预测的CaH₆在150 GPa具有高达235 K的超导温度。十年之后，两个独立的实验课题组成功合成了笼型氢化物CaH₆，实验的X射线数据与理论预测的CaH₆晶体结构高度吻合，并在170 GPa下测得的超导温度高达215 K，证实前期的理论预言。­­­­此外，大量预测的笼型氢化物也相继在高压下被成功制备，这里理论预测和实验发现结果为寻找室温超导体及相关的关键科学问题提供启发和思路。

图3 合成的CaH₆电阻随温度变化曲线

总结和展望  

研究人员已在高压下二元富氢高温超导体的研究中取得了多个突破性进展。随着氢化物元素数目增加到三元或四元, 新型氢化物超导体结构类型显著增加。因此, 未来针对多元富氢化合物高温超导体的研究更加令人期待。与此同时，结构预测和机器学习等方法的飞速发展，为科研人员在较低压强下寻找和发现高温超导体提供了有力工具。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00022-4

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Commentary发表的“Theory-directed discovery of high-temperature superconductivity in clathrate hydrides at high pressure” (投稿: 2022-02-10；接收: 2022-03-01；在线刊出: 2022-03-08)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100226

引用格式：Zhong X., Tse J., Hemley R., et al. (2022). Theory-directed discovery of high-temperature superconductivity in clathrate hydrides at high pressure. The Innovation. 3(2),100226.

作者简介

刘寒雨，吉林大学计算方法与软件国际中心教授，长期从事极端高压强下计算凝聚态物质的结构与性质研究。获第四届极端条件下物质与辐射国际会议青年科学家奖和第十届亚洲高压会青年奖等。

Web: http://iccms.jlu.edu.cn/info/1038/1039.htm

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