PRL:「類五角石墨烯狀」結構的高溫超導體

富氫化合物可以在實驗室壓力下實現金屬化，是潛在的高溫超導體，備受關注。崔田課題組於2014年首次報導了共價金屬性氫化物H3S在200萬大氣壓下的超導轉變溫度高達200 K，隨後被實驗證實，激發了人們在富氫材料中尋找室溫超導體探究的熱情。2017-2019年，理論預測和實驗研究相繼發現「籠狀」氫化物LaH10的超導溫度達到250~260 K，堅定了尋找室溫超導體的信心。近日實驗上在高壓下合成了碳質硫氫化物，在288 K的室溫條件下實現了零電阻，讓人們看到了室溫超導的曙光。

近日，寧波大學崔田教授、吉林大學段德芳教授與劍橋大學Chris J. Pickard教授、薩斯喀徹溫大學姚延蓀教授、南洋理工大學Simon A. T. Redfern教授、加州大學伯克利分校Vladimir Z. Kresin教授等人合作，在高壓下氫基高溫超導體研究方面取得突破性進展，研究成果發表於Physical Review Letters 雜誌上。

圖1. 三類典型的高Tc 氫基傳統超導體

目前在高壓下發現的氫基高溫超導材料的結構可以歸為兩類，一類是以H3S為代表的共價金屬性氫化物，另一類是以LaH10為代表的籠狀氫化物。在本工作中，研究人員設計出一種獨特的HfH10，該化合物具有「類五角石墨烯狀」的層狀結構，構成氫亞晶格的三個H5單元以「邊邊相連」的方式形成「品字形」層狀H10單元，類似於五角石墨烯結構，而Hf原子位於三個H10單元的中心位置。通過計算三種H-H鍵長隨壓力的變化，並對比其它氫化物和純氫相中的H-H鍵長，該結構的氫亞晶格是介於原子相氫和Pc-48 H（氫的第IV相）之間的一種新型聚合形式。

圖2. (a)在100-300 GPa的壓力範圍內，HfH10、LaH10、原子相H、Pc-48 H中的H-H間距離比較。插圖為HfH10中H10單元的示意圖。(b)Pc-48 H結構的側視圖及其類石墨烯層（第一層）的俯視圖。

理論預測這種「類五角石墨烯狀」HfH10在250 GPa時Tc高達~213-234 K，是目前發現的氫基超導體中第一個Tc高於200 K的層狀材料，也是過渡金屬氫化物中Tc最高的材料。除了HfH10以外，與其同構的ZrH10、ScH10、LuH10也具有較高的超導轉變溫度，Tc在134-220 K之間不等，這種具有「類五角石墨烯狀」氫亞晶格的MH10(M = Hf, Zr, Sc, Lu)化合物可看作是繼共價金屬性氫化物和籠狀氫化物之後的第三類高溫超導模型。在該類化合物中，金屬原子不僅給H10單元提供電子，其電負性、原子半徑和價電子排布對於穩定這種氫亞晶格以及調控材料的超導電性方面也起著關鍵作用。該成果對於氫化物以及室溫超導體的研究有重要的意義。另外，文章提出了富氫材料具有高溫超導電性的一般規律：(i)結構具有高對稱性，(ii) 不存在H2分子單元，(iii) 費米面處H的電子態密度佔比高，(iv) 費米面處電子與高頻聲子有強的耦合，為今後在富氫材料中尋找室溫超導體提供了有價值的理論參考。

圖3.不同富氫材料的超導轉變溫度Tc（µ*= 0.13）值的比較。

本論文第一作者為吉林大學超硬材料國家重點實驗室的謝慧博士（現任職河北民族師範學院），通訊作者為寧波大學物理科學與技術學院的崔田教授、吉林大學物理學院的段德芳教授及劍橋大學Chris J. Pickard教授。該工作得到了國家自然基金委項目、國家重點研發計劃項目、吉林大學高性能計算中心與國家超級計算天津中心天河一號的大力支持。

論文連結:

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