高温超导体H3S中轻质元素掺杂效应的理论研究

Recently, the discovery of high-pressure superconductivity of sulphur trihydrides (H3S) has set a record at 203 K (-70 °C) and attracted wide attention. Further understanding the physical nature of such peculiar superconductivity in H3S and improving the superconducting transition temperature of H3S have become the hot topics in this area. In this project, we will study the effect of light elements doping in superconducting H3S at high pressure by means of the fist principle calculation based on density-functional theory, combining with the supercell and the virtual crystal approximation. This project aims to investigate the bonding feature, interactions between doped and host atoms, electronic band structure, phonon vibration frequency, electron-phonon interaction of the new doped systems, further reveal the inner relationship between the stability and the superconductivity of these systems and doping effect, get a general law for the effect of light elements doping in superconducting H3S at high pressure, and find the efficient way to improve the superconducting transition temperature or reduce the synthetized pressure of H3S. Through the implementation of this project, it can not only improve the understanding of high temperature superconductivity of H3S, but also provide new research ideas and a brand-new way for exploring high temperature superconductor among the hydrogen-rich compounds.

最近在高压下发现的三氢化硫H3S，因其203 K (-70 °C)的超导转变温度刷新了高温超导的最高纪录，引起了国际上的广泛关注。目前，深入研究H3S奇异超导电性的内在物理原因，并进一步提高其超导转变温度已成为该领域的热门课题。本项目拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合超晶胞和虚拟晶体近似，以高温超导体H3S的立方相为母体结构，进行轻质元素掺杂。通过替位式、间隙式及多种元素共掺等掺杂方式调控局域成分和结构，深入认识不同压力下掺杂原子与宿主原子的相互作用及成键方式，探索外来杂质原子的种类、掺入方式、掺杂浓度对H3S高温超导电性的影响规律，揭示轻质元素掺杂与晶体结构稳定性、超导电性的内在联系，以期发现较高超导转变温度或低合成压力的H3S基掺杂新材料。本项目的实施，不仅可以加深对H3S奇异超导电性的理解，还能够为寻找新型高温超导体提供有效途径和物理思想。

富氢化合物可以在实验室压力下实现金属化，是潜在的高温超导体，已经成为物理学、材料科学等多学科的热点领域之一。理论和实验报道了共价金属性氢化物H3S和“笼状”氢化物LaH10在200万大气压下的超导转变温度超过200K，激发了人们在富氢材料中寻找室温超导体的热情。近日实验上在高压下合成了碳质硫氢化物，在288K的室温条件下实现了零电阻，让人们看到了室温超导的曙光。在本项目的资助下，我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合虚拟晶体近似、超晶胞近似及晶体结构搜索技术，研究原子间相互作用、费米面处电子态密度及超导电性随掺杂浓度和压力的变化规律，发现惰性元素掺杂可以加速H3S结构内部的氢键对称化发生，在较低的压力就能转变到立方H3S；发现C元素掺杂可以提高母体H3S的超导转变温度，并且Tc随着掺杂浓度的升高先增大后降低，Tc随压力变化基本与实验测量的高温超导区一致，揭示了高温超导的来源；通过碱金属及碱土金属掺杂，发现了若干新型三元富氢材料LiPH6、MgSiH6等。研究内容进一步扩展，设计了系列超导转变温度超过200K的新型超氢化物，尤其是发现了一种层状的“类五角石墨烯状”的HfH10，是继H3S为代表的共价金属性氢化物和LaH10为代表的笼状氢化物之后的第三类Tc超过200K的新型富氢超导体。预测了若干典型富氢化合物的高压相图、相变序列与超导电性，为实验研究提供了指引。本项目的执行揭示了元素掺杂对H3S奇异超导电性的影响，为在富氢材料中寻找新型高温超导体提供有效途径和物理思想。