稀土金属氢化物Tb-H中被预言具有室温超导电性

2021-02-22

2015年，Nature刊文报道在硫化氢中发现了超过200 K的超导转变温度，2018年LaH10创造了260 K的超导临界温度记录。随后，理论研究预测，不同于含有S-H极性共价键的硫化氢，在含有氢团簇的金属氢化物中
同样可以实现超过200K的超导转变，甚至是室温超导现象。尽管氢化物已经成为实现室温超导的最有前景的材料之一，但是在真正含有4f或5f电子的稀土金属氢化物中，还没有观察到近室温的超导现象，尤其是其复
杂的电子结构和强关联效应鲜有研究。
  聚焦上述问题，中科院深圳先进技术研究院光子信息与能源材料研究中心钟国华研究员团队与哈工大（深圳）和烟台大学合作聚焦还有4f电子的稀土金属铽（Tb），探索不同化学比例的氢化铽成为室温超导体的可
能性。研究人员基于高通量计算、第一性原理材料设计，发现TbHn（n=1~12）系统能在0~350GPa的压强范围内实现超导转变。结果显示，在由Tb和H形成的二元稀土氢化物中，具有TbH4, TbH5, TbH6, TbH9,
TbH10, TbH12等一系列化学配比的系统中氢原子结合成了笼型结构，并展现出了高温超导电性，预示着笼状结构对提高超导转变温度有着重要的意义。尤其是，TbH10结构相在250 GPa的压强下，实现了约280 K的
超导转变，成为稀土金属氢化物中真正含有4f电子的近室温超导体。该研究还深入讨论了4f电子在压力下的强关联效应，以及4f电子对电声相互作用的贡献，指出该高温超导体的超导机制来源于4f电子态在高压下的
局域-巡游转变和其在氢原子子晶格中运动导致的共振耦合。
  这是中心研究团队在超导物理领域的又一项重要进展，相关研究成果以“Cage Structure and Near Room-Temperature Superconductivity in TbHn (n = 1-12)”为题发表在期刊Journal of Physical Chemistry C（《物
理化学杂志C》），2021，DOI：10.1021/acs.jpcc.1c00645）上。
  该研究得到国家自然科学基金和深圳市基础研究布局等项目的资助支持。
论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c00645

图：TbH10-Fm3m晶体结构及Tb-H化合物超导转变温度（左）和TbH10-Fm3m声子谱、声子态密度、 Eliashberg 谱函数α2F (ω)和电声耦合强度积分（右）