PRL: “类五角石墨烯状”结构的高温超导体

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富氢化合物可以在实验室压力下实现金属化，是潜在的高温超导体，备受关注。崔田课题组于2014年首次报道了共价金属性氢化物H₃S在200万大气压下的超导转变温度高达200 K，随后被实验证实，激发了人们在富氢材料中寻找室温超导体探究的热情。2017-2019年，理论预测和实验研究相继发现“笼状”氢化物LaH10的超导温度达到250~260 K，坚定了寻找室温超导体的信心。近日实验上在高压下合成了碳质硫氢化物，在288 K的室温条件下实现了零电阻，让人们看到了室温超导的曙光。

近日，宁波大学崔田教授、吉林大学段德芳教授与剑桥大学Chris J. Pickard教授、萨斯喀彻温大学姚延荪教授、南洋理工大学Simon A. T. Redfern教授、加州大学伯克利分校Vladimir Z. Kresin教授等人合作，在高压下氢基高温超导体研究方面取得突破性进展，研究成果发表于Physical Review Letters 杂志上。

图1. 三类典型的高T_c 氢基传统超导体

目前在高压下发现的氢基高温超导材料的结构可以归为两类，一类是以H₃S为代表的共价金属性氢化物，另一类是以LaH₁₀为代表的笼状氢化物。在本工作中，研究人员设计出一种独特的HfH₁₀，该化合物具有“类五角石墨烯状”的层状结构，构成氢亚晶格的三个H₅单元以“边边相连”的方式形成“品字形”层状H₁₀单元，类似于五角石墨烯结构，而Hf原子位于三个H₁₀单元的中心位置。通过计算三种H-H键长随压力的变化，并对比其它氢化物和纯氢相中的H-H键长，该结构的氢亚晶格是介于原子相氢和Pc-48 H（氢的第IV相）之间的一种新型聚合形式。

图2. (a)在100-300 GPa的压力范围内，HfH10、LaH10、原子相H、Pc-48 H中的H-H间距离比较。插图为HfH₁₀中H₁₀单元的示意图。(b)Pc-48 H结构的侧视图及其类石墨烯层（第一层）的俯视图。

理论预测这种“类五角石墨烯状”HfH₁₀在250 GPa时T_c高达~213-234 K，是目前发现的氢基超导体中第一个T_c高于200 K的层状材料，也是过渡金属氢化物中T_c最高的材料。除了HfH₁₀以外，与其同构的ZrH₁₀、ScH₁₀、LuH₁₀也具有较高的超导转变温度，T_c在134-220 K之间不等，这种具有“类五角石墨烯状”氢亚晶格的MH₁₀(M = Hf, Zr, Sc, Lu)化合物可看作是继共价金属性氢化物和笼状氢化物之后的第三类高温超导模型。在该类化合物中，金属原子不仅给H10单元提供电子，其电负性、原子半径和价电子排布对于稳定这种氢亚晶格以及调控材料的超导电性方面也起着关键作用。该成果对于氢化物以及室温超导体的研究有重要的意义。另外，文章提出了富氢材料具有高温超导电性的一般规律：(i)结构具有高对称性，(ii) 不存在H₂分子单元，(iii) 费米面处H的电子态密度占比高，(iv) 费米面处电子与高频声子有强的耦合，为今后在富氢材料中寻找室温超导体提供了有价值的理论参考。

图3.不同富氢材料的超导转变温度Tc（µ*= 0.13）值的比较。

本论文第一作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室的谢慧博士（现任职河北民族师范学院），通讯作者为宁波大学物理科学与技术学院的崔田教授、吉林大学物理学院的段德芳教授及剑桥大学Chris J. Pickard教授。该工作得到了国家自然基金委项目、国家重点研发计划项目、吉林大学高性能计算中心与国家超级计算天津中心天河一号的大力支持。

论文链接: 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.217001

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