高压下新型富含“H2”超导材料的理论设计

The search of new high-Tc superconductors has long been a hot topic in scientific research communities. From the systematic studies of the crystal structures, electronic properties, lattice dynamic and superconductivities of "H2" containing MH3-H2 (M=Al,Ga,Y) compounds at high pressures by using the particle swarm optimization technique and first-principle calculations, the current project intends to design some new high-Tc superconductors. The synthesized conditions of the new materials will also be predicted to guide the future synthese in experiment. Moreover, the variation of the interactions between MH3 and H2 molecules with pressure and its effect on the metallization and the superconducting temperature will be analyzed. Finally, the relations between the crystal structure, electronic, lattice dynamic, intermolecular interactions and the superconducting temperatures will be summarized. The current study will open up a new way to design superconductors or enhance the superconducting temperatures.

探索新型高温超导体是超导研究领域的重点课题。本项目以高压富含H2体系MH3-H2 (M = Al,Ga,Y)为研究对象，采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术并结合基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对MH3-H2体系的高压晶体结构、电子性质、晶格动力学性质及超导电性进行系统的理论研究，致力于设计新型的高温超导材料，并预测其最佳实验合成条件，以期为实验合成提供指导；此外，本研究将深入分析MH3与H2分子间相互作用在压力下的变化行为，并揭示其对体系金属化及超导转变温度的影响；最后，总结体系的晶体结构、电子性质、晶格动力学性质及分子间相互作用与超导转变温度之间定性或定量的关系，为新型超导材料的设计及提高超导转变温度提供新的思路。

寻找超导转变温度超过40K的常规超导体是材料研究领域的关键课题之一。本项目通过对富氢材料的第一性原理计算，在设计高温超导体领域做出了创新性研究成果，主要包括：i.首次提出H2S在高压下可以转变为高温超导体，这一研究成果直接推动实验发现203K的常规超导态—高压下的硫化氢，创下超导转变温度的新纪录；ii.通过理论和实验相结合的方法首次获得了H2S在高压下的分解行为，有助于解释实验探测的H2S在高压下的复杂超导状态；iii.利用第一性原理计算发现H3S在高压下属于强的非谐声子媒介的超导体，考虑非谐效应之后，H3S的超导转变温度与高温下实验测量值吻合；iv.利用结构预测和第一性原理计算在Y-H体系中提出两种高温超导体：YH4和YH6，其中YH6的超导转变温度在120GPa时可达到251-264K。