高压下三元富氢超导体研究的进展和挑战 | NSR

实现室温超导一直是科学家的百年梦想。高压下的富氢化合物被预测为潜在的高温甚至室温超导体，成为近年来备受关注的超导材料体系之一。理论预测并被实验合成的共价氢化物H3S和离子型笼状氢化物(LaH10, YH9, YH6等)的超导转变温度均突破200 K，是实现高温超导电性最具代表性二元氢化物体系。然而这两类二元氢化物通常需要在兆巴压力以上保持稳定，虽然已经远低于固体氢金属化所需的压力，但依然限制了实际应用。进一步降低富氢超导体的稳定压力并提升超导转变温度是该领域重要的科学问题。三元氢化物具有更加丰富的化学组分和晶体结构，有希望协同多种元素的优势诱导新奇的性质。例如LaBeH8能够在兆巴压力以下保持动态稳定和高温超导电性。Li2MgH16，Li2NaH17等三元笼状氢化物的超导转变温度远高于室温。这些发现体现了多元素协同是优化富氢材料结构和超导性能的有效策略，并鼓舞了对三元以及多元氢化物的探索。同时，三元氢化物复杂的结构和势能面增加了理论预测和实验合成的难度，面临着众多机遇和挑战，亟需进一步挖掘这类氢化物结构与性质的内在联系以促进富氢高温超导体的探索。

近期，宁波大学/吉林大学崔田教授和吉林大学段德芳教授团队结合近年来的研究成果，系统地综述了三元富氢高温超导体的研究进展，从晶体结构、电子结构、电声耦合等深层次因素阐述了调制富氢材料结构稳定性以及超导电性的关键因素，为新型富氢超导材料的设计与合成提供了理论支持，并凝练新的科学问题，展望了未来研究面临的机遇和挑战。该研究综述以“Superconducting ternary hydrides: progress and challenges”为题发表于《国家科学评论》 (National Science Review) 2024年第7期。

三元富氢超导体的超导转变温度和压力的关系，抛物线背景表示超导品质因数

金属氢以及氢化物的结构与压力的依赖性

研究团队围绕降低结构稳定压力和提升超导电性两个关键的科学问题，阐明了三元富氢化合物结构与性质的高压调制、演化过程以及微观相互作用规律。首先，富氢化合物备受关注的超导电性密切依赖于其特殊的结构，特别是氢亚晶格的成键特征。以近原子相稳定的氢通常能在费米能级处展现高的电子态密度，并诱导强电子-声子耦合。因此，提升超导电性的关键在于协同合适半径和电负性的元素保持更多的氢以全原子化的形式稳定。例如，在Li2NaH17中的氢原子获得了大量来自金属元素的电子，扩展形成了全原子化的笼状亚晶格，展现出优异的高温超导电性。同时，多元素协同可能会引起费米面嵌套，声子模式软化，这些特征是进一步增强电子-声子耦合的有利因素。另一方面，合金化的氢亚晶格更容易稳定在较低压力下并保持高温超导电性。例如，LaBeH8包含由轻质元素Be和H构成萤石型氢合金晶格，实验上在80 GPa测量的Tc值高达110K。此外，研究团队还强调了 s-d边界金属元素、含f电子的重稀土元素以及固溶体型氢合金在优化氢化物结构和性能上起了重要作用。三元以及多元氢化物代表了富氢超导材料探索的下一个前沿，晶体结构预测，机器学习等高性能算法以及高压实验技术的发展将推动多元氢化物的探索进程，预计设计与合成新型高温富氢超导体会有更多新的突破。

崔田教授和段德芳教授为该文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委项目、浙江省科技创新团队项目和吉林省科技发展项目的大力支持。