近日，我校材料学院/理论物理联合中心的贾瑜教授团队和洛阳师范学院、中国科学技术大学等单位合作，在高压氢化物室温超导以及表面高温超导研究方面取得重要进展，相关成果相继在物理学期刊《Physical Review B》和《Nano Letters》上发表。
自1911年荷兰物理学家昂内斯发现超导现象至今，高温超导研究一直是凝聚态物理领域的热点和难点问题。近年来的一个重大突破是利用高压技术实现了一些富氢材料的高超导转变温度，如在高压下H3S和LaH10分别可以在203 K和260 K表现出超导现象，这为超导材料实现室温超导提供了一条途径。但由于制备这类化合物需要在非常大高压下进行，追求高的超导转变温度和较低的稳定压强自然成为高压氢化物超导研究的关键问题。
图1：(a) - (c)分别为氢化物LaH10，CaHfH12和CaHfH18的结构图。（d）和（e）分别表示超导转换温度Tc与金属有效价电子数（EMV），金属体积占位比（FMO）之间的依赖关系。（f）在给定氢与金属的比例下，金属的体积占位比与其提供的化学压成线性关系。粉红颜色的体系为该文新预言的三元氢化物超导体，蓝色为已知的氢化物超导体。
针对这一问题，该团队对目前已有的金属氢化物超导体结构和物性的梳理和分析，提出金属氢化物超导体设计的两个普适的定则。他们发现当金属骨架原子价电子数为3时，可以有效地提升金属氢化物超导的转变温度；同时金属离子的体积占位比约为0. 4时，可以有效地降低金属氢化物所需的物理压（如图1所示）。基于这两个发现，团队提出了离子半径和离子价态“双补偿性共替代”方案设计高温超导体，在设计出的一系列三元氢化物高温超导体中，CaHfH12在300 GPa下理论预言的Tc高达360 K，CaZrH12在200 GPa也达到290 K（如图1所示），所预言的这些超导体远远超出室温，一旦实验合成，有望实现室温超导体。
团队进一步的工作是预言了一类新的表面超导体系CaBC薄膜，为利用表面超导的概念设计高温超导体提供了一个范例。表面超导概念早在1964年就由著名物理学家Ginzburg提出，但直到最近实验室制备出FeSe/SrTiO3非常规界面超导体系，并发现其超导转变温度可以提升至其体相的10倍，从而表界面超导引起人们的极大关注，这一实验发现被认为是通过对二维体系的研究有可能实现超导理论的突破。该团队理论研究发现它如同实验上FeSe/SrTiO3非常规界面超导体系一样，CaBC薄膜表面的超导转变温度也可以达到90 K，远远超出其体相的8 K（如图2所示）。但和FeSe/SrTiO3所不同的是CaBC薄膜仅仅是表面截断就可以实现其高温超导。研究团队进一步地揭示导致高温超导的主要原因源自表面声子振动引起的电声耦合增强。
图2：（a）表面超导增强示意图（b）CaBC薄膜的超导能隙D随温度变化，显示Tc达到了近90 K。
上述工作分别以“Generic rules for achieving room-temperature superconductivity in ternary hydrides with clathrate structures”和“Surface superconductivity with high transition temperatures layered CanBn+1Cn+1films”为题在《Physical Review B》和《Nano Letters》上发表。刘亮亮副教授为论文第一作者，材料学院张丽莹、黄晓伟等老师参与了该工作，贾瑜教授为通讯作者。
工作到了国家自然科学基金委等项目的资助。文章链接为：
1. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.L020504
2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c05038
