快看！高温超导研究加上计算化学，发了nature！

超导现象的发现与极低温度的探索有着密切的联系，而极低温度的获得是从气体液化技术开始的。热力学的发展使人们对低温的获得和存在绝对温度的思想产生了重大的影响。此时人们注意到纯金属的电阻随温度的降低而减少的现象。1902 年，开尔文认为随着温度的降低，电子将凝结在金属原子上，使金属的电阻变得无限大。随后昂内斯认为电阻先随温度降低到一个极小值，然后开始加大，并会在绝对零度时变为无穷大。但实际试验时，科学家却发现当温度降温到一定程度，金属的电阻会突然消失变为0这种现象就是超导现象。

接下来，我们就将简单回顾一下，自2020年以来计算化学和物理在高温超导领域中的研究。

理论也能发Nature：超导氢化镧的量子晶体结构

1.Nature：250 K超导氢化镧的量子晶体结构

在高压下硫化氢体系中200 K超导性的发现，显示了富氢材料作为高温超导体的潜力。最近对带氢笼的稀土氢化物的理论预测以及随后在超导临界温度(T_c)为250 K的条件下合成LaH₁₀，使这些材料接近于实现长期以来的室温超导目标。电子和X射线衍射测量显示，在镧原子面心立方排列的结构中，LaH₁₀的T_c与压力有微弱的关系，在137到218 kMPa之间。在这里，来自意大利卢马大学的José A. Flores-Livas展示了量子原子涨落在这个压力范围内稳定了高度对称的晶体结构。该结构与实验结果一致，电子-声子耦合常数为3.5。尽管经典计算预测这个结构在低于230 KMPa的压力下会发生畸变，产生一个复杂的能量全景，但包含量子效应表明它是真正的基态结构。计算的T_c值和实验的T_c值之间的一致性进一步表明，该相位负责在250 K观察到的超导性。量子涨落的相关性使许多在经典方法中对氢化物的晶体结构做出的预测受到质疑，这些预测目前指导着室温超导性的实验探索。此外，研究者发现量子效应对于具有高电子-声子耦合常数的固体的稳定至关重要，而这些常数可能被大型电子-声子相互作用所破坏，从而降低了合成所需的压力。

参考文献：Errea, I., Belli, F., Monacelli, L. et al. Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride. Nature 578, 66–69 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1955-z原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1955-z#citeas

理论剖析：B₂O晶体的超导性

2.npj computational materials：高稳定性二维蜂窝硼墨稀氧化物B₂O晶体的超导性理论剖析

原子薄硼墨稀的合成，极大地丰富了硼的化学性质，拓宽了二维材料的种类。近年来，二维材料的氧化物在下一代电子器件中得到了广泛的研究。基于第一性原理的计算，中科院高能物理研究所的Bao-Tian Wang & 电子科技大学的Liujiang Zhou等人预测了蜂巢状硼墨稀氧化物(B₂O)的超导电性，它具有很高的稳定性，有可能通过在最近合成的硼墨稀中加入氧来制备。研究者系统地研究了金属态B₂O单层膜的机械、电子、声子性质以及电-声子耦合。在Bardeen-Coopero-Schrieffer理论框架下，单层B₂O具有固有的超导特性，其超导转变温度(T_c)为~10.3 K，高于许多2D硼化物(0.2-7.8 K)。此外，在拉伸应变为1的情况下，可以利用应变对超导性进行调优，最佳T_c为14.7 K。超导特性主要来源于系统的平面外软模振动，与其他二维金属硼化物超导体相比，轻O原子的掺入大大增强了系统的软模振动。这一策略将开启一扇通过轻元素参与设计二维超导结构的大门。该发现极大地拓展了二维超导领域，并为未来的纳米电子学铺平了道路。

参考文献：Yan, L., Liu, P., Li, H. et al. Theoretical dissection of superconductivity in two-dimensional honeycomb borophene oxide B₂O crystal with a high stability. npj Comput Mater 6, 94 (2020). https://doi.org/10.1038/s41524-020-00365-9 原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.0c01450

原子修饰：铁基超导体

3. PRL：高温量子异常霍尔锂-修饰铁基超导体材料绝缘体

量子异常霍尔(QAH)绝缘体是研究突发拓扑量子效应的关键材料，但其超低工作温度限制了实验的进行。此文中，来自清华大学的Wenhui Duan & Yong Xu等人，通过第一性原理的计算，发现了层状铁基超导体Fe X(X=S,Se,Te)的锂修饰产生的稳定的二维(2D)结构，并预测二维材料中室温铁磁半导体与大间隙高谢尔氏数QAH绝缘子的关系。在二维铁层中，通过强铁磁动力学交换，使锂离子电子注入铁离子，形成极强的强铁磁序。在没有旋轨道耦合(SOC)的情况下,铁磁性的极化系统为半狄拉克半金属的状态保护镜面对称,SOC效应导致自发镜面对称破缺,引出了狄拉克质量，创建了具有相当大间隙(数十meV)和多个手性边缘模式的QAH状态。此外，研究者在大块的LiOH - LiFe X中还发现了一个三维QAH绝缘子相特征的宏观数量的手性导电通道。这一发现为实现新型QAH物理和高温应用提供了新的机会。

参考文献：Li, Y., Li, J., Li, Y., Ye, M., Zheng, F., Zhang, Z., Xu, Y. (2020). High-Temperature Quantum Anomalous Hall Insulators in Lithium-Decorated Iron-Based Superconductor Materials. Physical Review Letters, 125(8). DOI：10.1103/physrevlett.125.086401原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.086401

竞争相描述：铜酸盐超导 

4. PNAS：第一性原理中铜酸盐的竞争条纹和磁相

对复杂量子材料中竞争相的现实描述已被证明是极具挑战性的。例如，现有的以密度-泛函-理论为基础的第一性原理框架在铜酸盐超导体中的描述不再适用。各种多体方法涉及一般的哈密顿模型，不考虑自旋、电荷和格点自由度之间的相互作用。在这里，来自坦普尔大学的John P. Perdew & 东北大学的 Arun Bansil & 杜兰大学的Jianwei Sun等人，通过部署最近构建的强约束和适当赋值(扫描)密度泛函，展示了如何在第一性原理的基础上处理，母绝缘子YBa₂Cu₃O₆和作为原型铜酸化合物的接近最佳掺杂YBa₂Cu₃O₇的竞争条纹和磁相绘景。在YBa₂Cu₃O₇中，发现了许多与基态近似简并的条纹相，并可形成赝隙态，由此产生高温超导态。晶格自由度在稳定各相中起着至关重要的作用。

参考文献：Yubo Zhang, Christopher Lane, James W. Furness, Bernardo Barbiellini, John P. Perdew, Robert S. Markiewicz, Arun Bansil, Jianwei Sun. Proceedings of the National Academy of Sciences Jan 2020, 117 (1) 68-72; DOI: 10.1073/pnas.1910411116原文链接：https://www.pnas.org/content/117/1/68.short

精确预测：Eliashberg理论与密度泛函理论相结合

5.PRL：将Eliashberg理论与密度泛函理论相结合，对超导相变温度和间隙函数进行了精确预测

此文中，来自以色列希伯来大学的 E. K. U. Gross等人，提出了一个实用的替代Eliashberg方程的从头计算超导过渡温度和间隙函数。在最近的超导体密度泛函理论中，研究者发展了一个交换相关泛函，它保留了对多体电子-声子自能的米格达尔近似的准确性，同时有一个简单的解析形式。该泛函是基于一个爱因斯坦频率的超导体的Eliashberg自能参数化，并使实验激发间隙的密度泛函计算成为可能。通过结合电子结构方法和Eliashberg理论，本方法为超导性能的预测在质量和计算可行性方面建立了一个新的标准。

参考文献：A. Sanna, C. Pellegrini, and E. K. U. Gross. Combining Eliashberg Theory with Density Functional Theory for the Accurate Prediction of Superconducting Transition Temperatures and Gap Functions. Phys. Rev. Lett. 125, 057001(2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.057001原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.057001

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