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記者4月2日獲悉，寧波大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院崔田教授和劉召特聘研究員等人在高壓超導(dǎo)分子型氫化物研究方面取得重要進(jìn)展，建立了分子型氫化物高溫超導(dǎo)的研究范式，為在低壓條件下進(jìn)一步開(kāi)展分子型氫化物高溫超導(dǎo)體的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備開(kāi)辟了新方向。相關(guān)成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

壓致原子型氫化物高溫超導(dǎo)體的研究取得了系列突破性進(jìn)展。然而，原子型氫化物需要極高的壓力才能使氫分子解離以釋放自由電子形成高溫超導(dǎo)，關(guān)于原子氫是否為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的必要條件仍需進(jìn)一步探討。此外，壓致分子型氫化物是否具備高溫甚至室溫超導(dǎo)電性，仍然是尚未解決的科學(xué)問(wèn)題，亟須開(kāi)展系統(tǒng)性的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

為探究分子氫化物在高壓下的潛在超導(dǎo)電性，研究團(tuán)隊(duì)選取由輕質(zhì)量元素構(gòu)成的Ca?H體系為研究對(duì)象，基于第一性原理計(jì)算，成功設(shè)計(jì)出分子型氫化物CaH14，并預(yù)測(cè)其在高壓下具有204.0 K的高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）?；瘜W(xué)成鍵分析表明CaH14中氫晶格完全由H2分子單元構(gòu)成。該電子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于費(fèi)米面附近出現(xiàn)了大量自由電子氣分布的奇異現(xiàn)象，但H2分子結(jié)構(gòu)保持完整并未發(fā)生解離。該研究結(jié)果表明，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的必要條件是形成庫(kù)伯對(duì)的自由電子氣作為費(fèi)米海，而非原子氫。

為了揭示出分子型氫化物中自由電子氣產(chǎn)生機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了CaH14有效勢(shì)并闡明了近自由電子氣的產(chǎn)生機(jī)理。相關(guān)結(jié)果表明，在從3.4eV至11.3eV的寬電子占據(jù)態(tài)范圍內(nèi)，存在顯著的近自由電子氣行為。這一發(fā)現(xiàn)與研究人員的預(yù)期相符。由壓力引起的電子動(dòng)能的增加超過(guò)了Ca和H2陽(yáng)離子所形成的有效勢(shì)阱的束縛，從而使電子從勢(shì)阱中逸出，形成了類似于凝膠背景電荷上的自由電子氣。

為了闡明引起該分子氫化物中高溫超導(dǎo)的起因，研究團(tuán)隊(duì)分析了其電子結(jié)構(gòu)特征，并通過(guò)結(jié)合電子效應(yīng)和晶格效應(yīng)研究，明確了影響電聲耦合的關(guān)鍵因素。研究表明，該分子型氫化物能夠?qū)⑺鑹毫抵链笄惑w壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)的合成范圍，并在50GPa下仍可保持60K的高溫超導(dǎo)電性，80GPa下可達(dá)84K，這一數(shù)值顯著高于液氮溫度（77K）。

審稿人對(duì)該工作評(píng)價(jià)說(shuō)：“分子型氫化物的高壓超導(dǎo)研究起始于大約17年前，當(dāng)時(shí)，這類氫化物超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低。自H3S被發(fā)現(xiàn)之后，每個(gè)人的注意力都集中在原子氫化物上。現(xiàn)在，有了這項(xiàng)工作，分子氫化物又回到了研究的焦點(diǎn)?！?/p>