Research | 氢基室温超导体新突破—宁波大学崔田教授和吉林大学段德芳教授团队合作新进展

来源：“Research科学研究”微信公众号

宁波大学崔田教授和吉林大学段德芳教授等，基于“化学预压缩”理论，在氢基超导体的理论研究方面取得突破性进展。通过将重稀土元素Yb/Lu掺入类方钠石笼形六氢化物中，得到了系列在中等压力下保持稳定的氢基室温超导体。研究成果以“Room-Temperature Superconductivity in Yb/Lu Substituted Clathrate Hexahydrides under Moderate Pressure”为题发表在Research上。

Citation:

Mingyang Du,Hao Song,Zihan Zhang, Defang Duan, Tian Cui, “Room-Temperature Superconductivity in Yb/Lu Substituted Clathrate Hexahydrides under Moderate Pressure”, Research, vol. 2022, Article ID 9784309, 12 pages, 2022.

https://doi.org/10.34133/2022/9784309

研究背景

室温超导是人类一个世纪以来一直追逐的梦想。理论预测绝缘的分子氢在高压下会转变为金属的原子氢，即金属氢，它是潜在的高温甚至室温超导体。但这需要极高的压力（500万大气压以上），实验上至今还没有给出合成金属氢的确切证据。基于Ashcroft提出的“化学预压缩”理论，通过在纯氢中引入活泼元素对氢分子进行“化学预压缩”，可以使其在较低的压力下进入金属相，并且具有高温超导电性。随后，人们在高压下发现了一系列超导温度超过200K的氢基超导体，如共价型氢化物H3S（超导转变温度Tc=203K，稳定压力P=155GPa），笼型氢化物LaH10（Tc=250K，P=170GPa），使得室温超导已逐渐成为现实。如今，氢基超导体研究的重点已不仅仅是追求高温超导，一个好的超导体应该在稳定压力和超导转变温度之间取得良好的平衡，最终在极低的压力甚至环境压力下实现室温超导电性。

笼形类方钠石六氢化物在碱土金属和稀土金属氢化物中普遍存在，如CaH6和YH6均已在实验上合成。在这种笼形类方钠石六氢化物中，金属原子形成体心立方（bcc）晶格，氢原子占据bcc晶格的所有四面体间隙，形成H24笼。崔田课题组前期理论预测笼形类方钠石六氢化物YbH6和LuH6中的稀土金属原子Yb和Lu对氢笼产生更大的化学预压缩作用，可以在百万大气压以下稳定存在，兼具优异的超导电性，如LuH6在100GPa下的Tc为273K，已达冰点温度。

研究进展

基于这样的背景，崔田课题组采用随机晶体结构搜索方法和第一性原理计算，通过将具有更大化学预压缩作用的重稀土元素Yb/Lu掺入半径及电负性相近的Ca，Sc，Y六氢化物，得到了一系列在中等压力下保持稳定的氢基室温超导体A(1-x)BxH6（A=Y,Ca,Sc,B=Yb,Lu,x=0.25,0.33,0.5,0.67,0.75），包括对称性为Pm-3m的ABH12(A0.5B0.5H6，图1a),对称性为Fd-3m的ABH12（图1b），对称性为P-3m1的A2BH18和A2BH18(A0.33B0.67H6和A0.67B0.33H6,图1c和d)，以及对称性为Fm-3m的A3BH24和AB3H24(A0.25B0.75H6和A0.75B0.25H6，图1e和f)。

图1 A(1-x)BxH6的晶体结构

然后，他们分析了类方钠石笼形六氢化物中超导转变温度Tc和最低动力学稳定压力随重稀土元素Lu/Yb掺杂浓度的变化。CaH6的超导温度和最小动力学稳定压力均呈现出随Lu元素掺杂浓度先升高后降低的趋势（图2b），而ScH6掺Lu元素可以显著降低稳定压力并增加超导温度（图2c），YH6具有比CaH6和ScH6更优异的超导性能，掺入Lu后其性能进一步提高。其中，Y3LuH24可以在120GPa达到283K，YLuH12可以在140GPa达到275K，YLu3H24可以在110GPa达到288K（图2a），它们的超导转变温度接近或已经达到室温，最小动力学稳定压力明显低于之前理论预测的室温超导体YH10（250GPa）和CaBeH8（210GPa）。

图2 A(1-x)BxH6中临界温度Tc和最低动力学稳定压力随重稀土元素Lu/Yb掺杂浓度的变化

一个好的超导体应该在稳定所需的压力和临界温度之间取得良好的平衡。因此，剑桥大学的Pickard教授提出使用超导品质因数S来评估超导体的优异性。S由临界温度Tc和稳定所需的压力P得到：

Y3LuH24和YLu3H24的品质因数接近2.5，YLuH12和Yb2LuH18的品质因数接近2，都优于著名的氢基超导体H3S和LaH10（图3）。

图3 A(1-x)BxH6和其它经典超导体的超导转变温度和压力的关系。曲线是超导品质因数。超导转变温度越高，稳定压强越低的超导体，其超导品质因数就越高。

他们还分析了这些结构的临界温度、最小动力学稳定压力、H-H键长和电荷转移之间的关系，并探讨了它们高温超导性的起源。强电子-声子耦合是这些结构高温超导性的原因，合适长度的H-H键（1.25-1.30Å，图4）可以将声子的振动频率保持在最有利于电子-声子耦合的范围内，最终实现室温超导，这将为设计更接近环境压力的室温超导体提供有价值的参考。

图4 A(1-x)BxH6最大和最小H-H键长和超导转变温度

未来展望

该项研究表明，重稀土元素Yb/Lu掺入类方钠石笼形氢化物是调节超导转变温度和稳定压力的有效方法，特别是Lu元素的引入可以进一步提高超导温度并保持低压稳定性，超导温度的提高是通过调整H-H键长以影响氢的振动频率从而增强电子-声子耦合来实现的。该成果为常压下实现室温超导迈出了重要的一步，并将激发进一步的实验探索。

作者简介

崔田教授

宁波大学物理科学与技术学院特聘院长，长江学者特聘教授，浙江省物理学会副理事长。崔田教授长期从事高压极端条件下凝聚态物质的理论与实验研究工作，获得国家自然科学二等奖2次、省部级一等奖5次；主持国家重大科技基础设施项目1项（1.9亿元）、973项目2项、国防重大专项3项、国家基金重点项目2项。

段德芳教授

吉林大学物理学院教授，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事高压极端条件下富氢材料晶体结构与超导电性的研究工作，特别是设计了共价型H3S富氢高温超导体，预言其超导温度超过了200K，被后续实验证实。段德芳教授在PRL、JACS、SciAdv等国际一流学术刊物上发表SCI论文100余篇，主持了国家自然科学基委优秀青年科学基金和面上等多个科研项目。