三元富氢高温超导体的理论设计与高压研究

The discovery of sulfur hydrides with Tc of 203K has aroused great interest in the rational design and synthesis of superhydrides with higher Tc at high pressure. Recently, the H-clathrate structure has been a hot topic in this field, since which was found to be a sign of the high-Tc superconductivity in several binary superhydrides. Our preliminary studies on Li-Mg-H alloys indicated that ternaries are as important as binaries for the design of H-clathrate structures, and the high-pressure studies on them would create breakthrough innovations. This research project focuses on the Li-M-H(M=Mg,Ca,Sc,Y) system, and the three major goals are as following: 1) to explore the crystal structure of the high-pressure polymorphs, build the high-pressure phase diagram, and obtain the pressure condition of stability and the possible synthesis routes; 2) to study the electronic property, lattice dynamics, electron-phonon couplings, and make a rational prediction on the room-temperature superconductivity of the predicted H clathrate ternaries based on the Tc solved from the gap equation, 3) to investigate the relationship between the superconductivity and the structural features of H clathrate structures. The present project is anticipated to provide theories to support the discovery of room-temperature superconductivity in superhydrides.

高压下硫氢化物203K高温超导电性的新发现点燃了设计与合成氢基室温超导体的科学梦想。最近，一系列超导转变温度达到室温或超过冰点的笼型二元富氢化合物被理论预言，使笼型氢化物成为高压领域的研究热点。项目组通过对Li-Mg-H体系的初步探索发现，三元氢化物蕴藏着丰富的氢笼结构类型与潜在的室温超导体，其高压研究有望获得原始创新。本项目将聚焦于Li-M-H(M=Mg,Ca,Sc,Y)体系，探索其高压相晶体结构，构筑高压相图，获得三元笼型氢化物的稳定压力条件与可能的合成路径；研究其电子、晶格动力学及电子－声子相互作用性质，并通过求解能隙方程合理预测三元笼型氢化物具有室温超导电性的可能性；寻找三元笼型氢化物的结构特征与超导电性之间具有何种定性或定量的关联。本项目的实施可以为发现氢基室温超导体提供理论支撑。

背景：近年来, 高压下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点。目前，研究人员在该领域取得的两个标志性研究是，发现了超导温度约200 K（-73℃）的共价型H3S富氢超导体和超导温度250-260 K的LaH10等为代表的氢笼合物结构的离子型富氢超导体, 先后刷新了超导温度的新纪录，因此，在理论上继续探索室温下结构稳定且易于开展实验研究的新型高温超导氢化物对实现室温超导具有十分重要的意义。..主要研究内容：项目对Li-M-H(M=Mg, Sc, Y, La, Si, P)体系在不同压力区间构筑了高压相图，获得三元富氢氢化物的稳定压力条件与可能的合成路径；研究其电子、晶格动力学及电子-声子相互作用性质，并通过求解超导能隙方程合理判断三元富氢化合物具有室温超导电性的可能性；揭示不同氢化物结构类型与超导电性具有何种定性或定量的关联。此外，我们还对笼形超氢化物Li2MgH16采用路径积分分子动力学与经典分子动力学模拟，还预测了在地球内部可能存在的氢氦化合物FeO2H2He，并发现了H离子能够自由流动的FeO2H2He超离子态和在超离子态中H和He之间的化学关联。..重要结果以及科学意义：Li2MgH16在250 GPa下具有极高的Tc估计值约473 K，这可能使我们获得室温或甚至更高温度的超导性；三角相的结构LiP2H14在230 GPa下达到169 K； LiSi2H9和LiSiH8在172和250 GPa下，Tc分别为54和77 K；Li2YH17和Li2LaH17的超导转变温度分别在200 GPa和160 GPa下为108 K和156 K，超氢化物Immm-Li2ScH20中同时混合了分子氢和原子氢，其超导转变温度在300 GPa下为242 K。在以上体系中Li元素对稳定结构和增强超导电性起到重要作用。此外，我们以笼形超氢化物Li2MgH16为例，采用路径积分分子动力学与经典分子动力学模拟揭示了质子可以在近乎刚性的Li2Mg亚晶格空隙间快速传播。该研究表明Li2MgH16中，由核量子效应与热效应引发的质子扩散与氢诱导的高温超导电性共存。最后，我们基于粒子群优化算法的CALYPSO结构预测和第一性原理计算相结合的方法，设计出一种在地球内高温高压下可能存在的FeO2H2He物质，通过分子动力学计算和均方根位移分析发现该物质在高温高压下存在H离子能够自由移动的超离子态