西安交大物理学院科研团队在氮掺杂镥氢材料超导电性研究方面取得新进展

1911年，昂尼斯首次发现水银在4.2 K可以超导。从此，对超导机制的理论解释以及对具有更高超导转变温度材料的追寻一直都是物理领域最重要的挑战之一。迄今为止，人们发现铜氧化合物超导体具有常压下最高的超导转变温度（135 K，即-138 ℃），但这依然远低于地球南北极的温度。氢是最轻的元素，也可能是宇宙中最丰富的元素。很早就有理论预言，氢在极高压下会金属化，并进而具有很高的超导温度。但是，氢的金属化问题，一直都存在很多争议。阿什柯夫特在2004年提出，氢化物中的氢原子会被周围原子挤压，相当于施加了化学压力，因此会降低氢化物超导所需要的物理压强。在此思路指引下，一系列富氢化合物超导体相继被理论预测并实验证实。例如H3S在200 GPa下超导温度为204 K，LaH10在210 GPa下超导温度更是达到了286 K，已经接近于室温。

在这些富氢化合物超导体中，氢原子因为质量和半径都很小，很容易从晶体的平衡位置游离，但高压相当于构建了一个“容器”，将这些氢原子压制在它们的平衡位置附近。这样，氢原子在平衡位置附近的高频振动可以提高超导温度，又不至于离开平衡位置导致化合物分解。然而，富氢化合物高温超导体能够稳定存在的典型压强为200 GPa左右，已经进入了地球地核的压强范围。这样高的压强，极大地限制了富氢超导材料的实际应用范围。

左图：对比大量Lu-H以及Lu-N化合物的形成焓，并结合其它计算结果，

确认了氮掺杂镥氢材料的主成份为LuH2（Fm-3m），次成份为LuN（Fm-3m）

右图：通过计算反射谱，并对比实验测量结果，

解释了氮掺杂镥氢材料在压强增加时的复杂颜色变化

最近，美国罗切斯特大学Dias实验组宣称，氮掺杂镥氢材料在1 GPa下超导转变温度可以达到294 K（即21 ℃），此消息立刻引起了全世界的广泛关注。Dias等人的实验结果一旦被证实，就意味着人类追寻已久的常压-室温超导近在眼前。然而，后续的一系列实验均未发现氮掺杂镥氢材料在1 GPa具有超导电性，并且Dias实验中的氮掺杂镥氢材料，其成份与结构未知。为解决这些问题，西安交通大学物理学院张朋理论组与合作者通过结构搜索与第一性原理计算，发现氮掺杂镥氢材料的主成份为LuH2（Fm-3m），其次为LuN（Fm-3m）。常压下呈蓝色的LuH2，在压力下将依次变为紫色和红色。在LuH2和LuN中，费米面附近主要是镥的5d电子，而氢或者氮的电子几乎缺失，使得这两种材料无法超导。上述理论计算结果，和一系列氮掺杂镥氢材料的实验测量结果完全一致。研究工作确认了Dias实验中氮掺杂镥氢材料的主要成份，解释了其在压力下为何会产生复杂的颜色变化，并阐明了后续实验未能发现超导电性的原因。相关成果以《氮掺杂镥氢材料的主要成份和压力诱导的颜色变化》（Leading components and pressure-induced color changes in N-doped lutetium hydride）为题发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。西安交通大学物理学院博士生陶相如和博士生杨爱芹为论文共同第一作者，张朋教授为论文通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、陕西省基础研究计划、西安交大青年拔尖人才支持计划，以及西安交大高性能计算平台的大力支持。在本项工作推进过程中，中科院物理所程金光教授、许杨副教授、赵绚博士给予了重要支持并分享了实验数据。

论文链接：www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323003778

张朋理论组：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zpantz