宁波大学团队建立分子型氢化物高温超导研究范式

科技日报记者 夏凡

记者4月2日获悉，宁波大学物理科学与技术学院崔田教授和刘召特聘研究员等人在高压超导分子型氢化物研究方面取得重要进展，建立了分子型氢化物高温超导的研究范式，为在低压条件下进一步开展分子型氢化物高温超导体的理论设计和实验制备开辟了新方向。相关成果近日发表在国际期刊《科学进展》上。

压致原子型氢化物高温超导体的研究取得了系列突破性进展。然而，原子型氢化物需要极高的压力才能使氢分子解离以释放自由电子形成高温超导，关于原子氢是否为超导转变的必要条件仍需进一步探讨。此外，压致分子型氢化物是否具备高温甚至室温超导电性，仍然是尚未解决的科学问题，亟须开展系统性的理论与实验研究。

为探究分子氢化物在高压下的潜在超导电性，研究团队选取由轻质量元素构成的CaH体系为研究对象，基于第一性原理计算，成功设计出分子型氢化物CaH₁₄，并预测其在高压下具有204.0 K的高温超导转变温度（Tc）。化学成键分析表明CaH₁₄中氢晶格完全由H₂分子单元构成。该电子结构的独特之处在于费米面附近出现了大量自由电子气分布的奇异现象，但H₂分子结构保持完整并未发生解离。该研究结果表明，超导转变的必要条件是形成库伯对的自由电子气作为费米海，而非原子氢。

为了揭示出分子型氢化物中自由电子气产生机理，研究团队计算了CaH₁₄有效势并阐明了近自由电子气的产生机理。相关结果表明，在从3.4eV至11.3eV的宽电子占据态范围内，存在显著的近自由电子气行为。这一发现与研究人员的预期相符。由压力引起的电子动能的增加超过了Ca和H₂阳离子所形成的有效势阱的束缚，从而使电子从势阱中逸出，形成了类似于凝胶背景电荷上的自由电子气。

为了阐明引起该分子氢化物中高温超导的起因，研究团队分析了其电子结构特征，并通过结合电子效应和晶格效应研究，明确了影响电声耦合的关键因素。研究表明，该分子型氢化物能够将所需压力降至大腔体压机可实现的合成范围，并在50GPa下仍可保持60K的高温超导电性，80GPa下可达84K，这一数值显著高于液氮温度（77K）。

审稿人对该工作评价说：“分子型氢化物的高压超导研究起始于大约17年前，当时，这类氢化物超导转变温度相对较低。自H₃S被发现之后，每个人的注意力都集中在原子氢化物上。现在，有了这项工作，分子氢化物又回到了研究的焦点。”