氫化鑭奇特高溫超導(dǎo)之謎揭開

日前，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)、東北大學(xué)、東京大學(xué)和理化學(xué)研究所等組成的國(guó)際研究小組通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，氫化鑭（LaH10）在接近-23℃的超導(dǎo)高壓下，通過原子核的量子波動(dòng)作用在廣泛壓力區(qū)域，成為穩(wěn)定存在的“量子固體”。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過含有大量氫氣的富氫化合物，可在比預(yù)想低得多的壓力下實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)和室溫超導(dǎo)。

超導(dǎo)材料由于具有零電阻，輸電無(wú)能量損失，有望解決環(huán)境能源問題而備受關(guān)注。實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)是人類的夢(mèng)想，長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行了很多研究。2019年曾報(bào)告在130～220 GPa高壓下，具有立方晶結(jié)構(gòu)的LaH10在絕對(duì)溫度-23℃接近超導(dǎo)，刷新了超導(dǎo)轉(zhuǎn)移溫度的最高紀(jì)錄，并能在此寬壓范圍穩(wěn)定存在。但目前為止，理論計(jì)算預(yù)測(cè)穩(wěn)定這個(gè)結(jié)構(gòu)需要至少230 GPa或更高壓力，為何立方晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定會(huì)比理論預(yù)測(cè)的壓力低100 GPa壓力備受關(guān)注。

研究小組注意到，迄今為止理論計(jì)算忽略了原子核量子波動(dòng)。他們利用加入了原子核量子波動(dòng)效果的計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高壓下氫化鑭的氫原子核量子波動(dòng)極大，立方晶結(jié)構(gòu)LaH10由于量子波動(dòng)效果，在廣泛壓力領(lǐng)域呈穩(wěn)定的“量子固體”狀態(tài)。另外，通過新的計(jì)算，他們還對(duì)實(shí)驗(yàn)中得到的包括壓力依賴性的超導(dǎo)轉(zhuǎn)移溫度進(jìn)行了精確描述。

由于原子核的量子波動(dòng)是多數(shù)物質(zhì)常見的普遍現(xiàn)象，研究小組希望發(fā)現(xiàn)其他富氫化合物替代氫化鑭。利用加入量子波動(dòng)的模擬方法，提高了預(yù)測(cè)類似替代物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的理論精度。通過理論預(yù)測(cè)室溫超導(dǎo)物質(zhì)，有助于尋找更合適的目標(biāo)材料。

氫化鑭奇特高溫超導(dǎo)研究成果發(fā)表在最近的《自然》網(wǎng)站。