摘要：在此，宁波大学刘召/崔田课题组在Science Advances期刊上发表了题为“Mechanism of high-temperature superconductivity in compressed H2-molecular–type hydride”的
成果简介
压缩的原子型氢化物的发现为实现常温超导提供了有希望的途径，但它需要极高的压力才能完全解离氢分子以释放自由电子。
在此，宁波大学刘召/崔田课题组在Science Advances期刊上发表了题为“Mechanism of high-temperature superconductivity in compressed H2-molecular–type hydride”的最新论文。该团队报告了一个显著发现：压缩的H2分子型氢化物CaH14展现出一种不寻常的转变温度（Tc），为204.0开尔文。其电子结构的独特性在于近乎自由电子的显著出现，这些电子表现出金属键合特性，但分子氢碎片依然存在。
发现表明，超导转变的必要条件是形成具有库珀对的费米海，而不是单原子氢。值得注意的是，自由电子的形成机制可以通过有限深度势阱模型有效解释。有趣的是，这种H2分子型氢化物能够将所需的压力降低到80吉帕斯卡，同时保持84开尔文的高Tc，远高于液氮温度。作者的研究确立了高温超导的范式，并为在低压下实现H2分子型氢化物中的高Tc超导体开辟了前景。
研究亮点
（1）实验首次预测并验证了压缩H2分子型氢化物CaH14的超导特性，得到了204.0 K的高转变温度（Tc），这一发现突破了传统氢化物超导体的理论预期。
（2）实验通过第一性原理计算和电子-声子耦合（EPC）分析，揭示了压缩H2分子型CaH14中近乎自由电子的出现，这些电子表现出金属键合特性，同时分子氢碎片依然存在。该结果表明，超导转变的关键是形成包含库珀对的费米海，而非单原子氢。
（3）通过构建有限深度势阱模型，研究进一步解释了自由电子的形成机制：在高压下，氢分子间的相互作用和Pauli排斥效应导致电子动能增加，从而生成近乎自由电子。
（4）实验还发现，CaH14的高Tc特性在80 GPa下依然保持，且Tc为84 K，显著高于液氮温度，显示了该材料在较低压力下仍具备高温超导的潜力。
图文解读
图1. Ca-H氢化物的热力学稳定性和结构性质。
图2. Kohn-Sham有效局部势能，包括离子势能、Hartree势能和交换-关联势能。
图3. 300 GPa下C2/c-CaH14的电子结构、声子色散和超导能隙。
图4. 高压下C2/c-CaH14的超导参数、嵌套函数和声子线宽。
结论展望
与原子型氢化物H3S和LaH10中由氢源电子态主导超导性的情况不同，本文的模拟表明，近自由电子主要通过提供库珀对来诱导C2/c-CaH14相中的高Tc。为了进一步阐明近自由电子在超导性中的作用，作者进一步计算并比较了200 GPa下不同分子型氢化物的超导性。典型的H2分子型氢化物TeH4和SnH4也表现出近自由电子行为。这些发现表明，超导转变的必要条件是根据BCS理论形成作为费米海的自由电子，而不是氢丰富体系中的单原子氢。在200 GPa下，当声子效应对TeH4和SnH4的电子-声子耦合（EPC）做出相同贡献时，观察到近自由电子的增加确实导致了高Tc的出现。该结果可能确认了EF内近自由电子的增加导致了H2分子型氢化物超导性的逐渐增强。
总之，与实现高温超导的原子型氢化物的已知指导方针不同，作者报告了一个显著的发现：一种不寻常的H2分子型超氢化物CaH14，预测在300 GPa下具有204.0 K的高Tc，通过先进的晶体结构搜索方法得出。作者识别出不寻常的流动电子，这些电子充当完全近自由电子，主要介导金属相互作用。作者的第一性原理计算揭示，高Tc主要归因于强电子-声子耦合（EPC），该耦合源自中频分子氢衍生声子振动驱动的大的电子-声子矩阵元素，以及由于费米面嵌套引起的声子软化，从而散射流动电子形成库珀对。近自由电子的形成机制源于压力诱导的原子间势阱下沉效应，使得由于强泡利排斥作用而赋予电子高动能，电子无法被局限。结果阐明了超导转变的必要条件是形成带有库珀对的费米海，而不是单原子氢。
有趣的是，这种H2分子型氢化物能够将所需压力降低到大型腔体压力的可达合成范围，并在50 GPa时保持60 K的高Tc，在80 GPa时保持84 K的高Tc，均高于液氮温度。作者的当前发现为分子氢化物中超导性的探索提供了强有力的见解，并可能重新激发并高度重视对分子氢超导性的理解。分子氢化物中电子和电子-声子相互作用的独特高压行为为寻找常温超导材料增添了前所未有的类别。
文献信息
Pengye Liu et al. ,Mechanism of high-temperature superconductivity in compressed H2-molecular–type hydride.Sci. Adv.11,eadt9411(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt9411
来源：朱老师讲VASP
