宁波大学高压物理科学研究院崔田AS：10 GPa以内稳定的高温超导钙钛矿型氢化物
宁波大学高压物理科学研究院崔田AS：10 GPa以内稳定的高温超导钙钛矿型氢化物
创新点：宁波大学物理科学与技术学院高压物理科学研究院崔田团队基于KInH3的钙钛矿结构设计了一系列能够在10 GPa以下稳定的高温超导氢化物。第三主族元素和氢形成的立方合金骨架对高温超导电性至关重要，碱金属作为电子供体和预压缩元素能够帮助合金骨架稳定至低压。该结果为近常压高温超导体的设计提供了重要思路。
关键词：Advanced Science，高压，氢化物，超导电性，宁波大学
分类：凝聚态物理；第一性原理计算；超导材料
超导体具有零电阻特性和完全抗磁性等独特的物理性质，为人类社会的发展提供了许多可能性。研究人员现在正试图找到并开发在更高温度下工作的超导体，这将彻底改变能源的运输和储存方式。H3S和LaH10被发现超导转变温度（Tc）高于200 K，引起了在氢化物中寻找室温超导性的热潮。然而，稳定这些氢化物超导体所需的极端压力给相关的实验以及未来更广泛的应用带来重重障碍。氢化物超导体研究的下一个挑战是在大腔体压机可承受的压力范围（不超过30 GPa）实现高温超导，最终目标是把氢化物超导体稳定至常压下。
崔田教授团队基于KInH3结构，设计了一系列钙钛矿型氢化物超导体。研究涵盖了182个三元体系，最终8种氢化物被确定在20 GPa内稳定，其中5种氢化物在10 GPa内表现出超过120 K的超导转变温度。这些超导体由碱金属和立方氢合金骨架组成，表现出高温超导性和低压稳定性之间的平衡。性质最为突出的是RbTlH3，它可以在4 GPa时动力学稳定，超导转变温度高达170 K，但高于凸胞284 meV每原子的焓值使其后续的实验合成面临巨大困难。CsInH3在低至9 GPa的压力下是动力学稳定的，此时超导转变温度约为153 K。其相对于单质Cs和二元的CsH焓值更低，但相对于富氢二元氢化物CsH7和CsH9能量更高。
在这些钙钛矿型氢化物中，大半径、电负性小的碱金属负责提供固定量的电荷并作为预压缩元素保持结构的稳定性，而小半径的第三主族元素和氢成键形成立方合金骨架，这种立方合金骨架对高温超导性至关重要。电声耦合计算表明，氢的软化声子模对电声耦合常数λ的贡献超过50%。这种声子软化使这些氢化物在低压下表现出出乎意料的高超导转变温度，但随着压力的增加，软化减弱至消失，它们的超导转变温度会迅速降低到最大值的一半以下。超导转变温度对压力的这种高灵敏性可能会导致在未来实验合成此类氢化物时，对压力精确控制有更高的要求。但从另一个角度来看，这种高灵敏性可能使它们能够应用于高温超导以外的更多领域。
相关工作以”High-temperature Superconductivity in Perovskite Hydride below 10 GPa”为题，发表在Advanced Science上。文章第一作者为宁波大学助理研究员杜明阳，通讯作者为崔田教授和助理研究员宋昊，合作者为吉林大学段德芳教授。