物语 | 重稀土元素氢化物中的高Tc超导电性
科海拾贝
Research Highlights
本期我们介绍的工作是段德芳教授发表在Chinese Physics Letters上的论文High Tc Superconductivity in Heavy Rare Earth Hydrides
(doi.org/10.1088/0256-307X/38/10/107401)
论文简介
本工作设计了笼状结构的XH6(X = Tm, Yb, Lu)，其中亚稳的LuH6在较温和压力的超导转变温度高达273K，已达冰点温度。
摘要原文
Sulfur and lanthanum hydrides under compression display superconducting states with high observed critical temperatures. It has been recently demonstrated that carbonaceous sulfur hydride displays room temperature superconductivity. However, this phenomenon has been observed only at very high pressure. Here, we theoretically search for superconductors with very high critical temperatures, but at much lower pressures. We describe two of such sodalite-type clathrate hydrides, YbH6 and LuH6. These hydrides are metastable and are predicted to superconduct with Tc∼145 K at 70 GPa and Tc∼273 K at 100 GPa, respectively. This striking result is a consequence of the strong interrelationship between the f states present at the Fermi level, structural stability, and the final Tc value. For example, TmH6, with unfilled 4f orbitals, is stable at 50 GPa, but has a relatively low value of Tc of 25 K. The YbH6 and LuH6 compounds, with their filled f-shells, exhibit prominent phonon “softening”, which leads to a strong electron-phonon coupling, and as a result, an increase in Tc.
(doi.org/10.1088/0256-307X/38/10/107401)
作者信息
段德芳，吉林大学物理学院教授，2011年在吉林大学获得博士学位，2018-2019在剑桥大学进行学术访问，2021年获得国家优秀青年科学基金，主要从事高压下富氢高温超导体的理论研究。
寻幽问径
Scholar Insights
我们有幸采访到了本文通讯作者段德芳教授，以了解她的研究思路和研究心得。
您开展这个研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？
段德芳：最近十年，借助高压手段，发现了共价型富氢高温超导体H3S（Tc=203 K，P=155 GPa），“笼状”离子型富氢高温超导体LaH10（Tc= 250 K，P=170 GPa），和碳质硫氢化物高温超导体（Tc= 288 K，P=267 GPa），不断刷新超导温度的新纪录，坚定了富氢化合物是室温超导体的最佳候选体系之一。但是这些新型富氢高温超导体大多在150 GPa以上稳定存在，如此高的超导压力大大限制了对此类超导材料的应用研究，因此我们期望在较温和的压力条件下获得富氢高温超导相。
完成这个研究需要采取什么特殊的计算方法/实验手段？
段德芳：这项研究需要完成两部分内容，首先使用从头算随机结构搜索方法来预测一系列重稀土元素氢化物的热力学稳态以及亚稳态结构，该方法仅通过元素组分作为输入就可以高效的找到低能量结构。其次使用从头算对XH6(X=Tm, Yb和Lu)进行电子性质及电子-声子耦合计算，并通过自洽求解Eliashberg方程估计他们的超导转变温度。
研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？
段德芳：在本工作的研究过程中，对元素镱(Yb)赝势的选取和DFT+U的处理上遇到了一定的困难。首先对于镧系元素，赝势的选取非常重要，不同赝势对超导电性影响很大，我们通过细致的赝势检测，发现镱考虑24个价电子(5s25p64f146s2)的超软赝势最为可靠。其次通过对比YbH2理论计算和实验测量状态方程，发现在较低的压力下处理具有局域特性的f电子，DFT+U是必须的，在高压力下镱的氢化物不需要进行DFT+U修正就与实验结果符合。
您对研究结果满意吗？具体在什么方面取得了突破进展？
段德芳：我们在重稀土元素氢化物中，设计了一类笼状结构的XH6 (X = Tm, Yb, Lu)，预测YbH6和LuH6分别在比较温和的压力70和100 GPa下动力学稳定，超导转变温度Tc分别为145 K和273 K，特别是LuH6的超导转变温度已达冰点温度，在已知的立方XH6笼型氢化物中超导转变温度最高，并且超导压力也低于其他高Tc氢化物所需的压力。发现费米面f电子的存在降低了XH6笼状氢化物超导相的稳定压力，同时抑制了其超导电性。
您的合作者如何看待这个研究的？您认为其他同行会如何看待这个研究？
段德芳：CPL工作是与宁波大学崔田教授、剑桥大学Pickard教授和加州大学伯克利分校Kresin教授及研究生宋昊和张子涵一起合作完成的，感谢几位合作者的辛苦付出，他们都认为这个工作非常重要, Pickard教授说: “I still think this a very good piece of work”。
论文在投审稿过程遇到了什么让您记忆深刻的事情？
段德芳：这篇文章刚开始曾尝试过投Phys. Rev. Lett.，但是审稿人提出采用DFT+U计算超导转变温度，目前无法实现。我们希望尽快发表这一重要工作，所以说服合作者投到中国期刊CPL Express Lett，其中一位合作者Kresin教授对CPL给予很高的评价，他说“CPL is a highly respectable Journal, and, in addition, I have been always in favor of fast publications.”。非常高兴选择了CPL Express Lett来发表我们的新工作，并衷心祝愿中国期刊越办越好！
该研究会对相关领域做出什么贡献或影响？
段德芳：此研究为在低压下寻找富氢高温超导体提供了一条有效的途径，预期在二元富氢超导体中掺杂重稀土元素Yb或Lu，可以有效降低稳定压力，同时维持较高的超导转变温度。
您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？
段德芳：我们会继续深入相关的研究工作,期望在温和压力下设计更多的富氢高温超导材料，为实验研究提供指引。
您认为在您的研究生涯中，谁（哪几位）曾给予了您很大的支持与帮助？
段德芳：首先感谢我的导师崔田教授，是他带领我走进了高压物理这个领域。其次感谢几位合作者，Chris Pickard、苗茂生、姚延荪、Kresin Vladimir和Simon Redfern教授，还要感谢物理学院的领导和同事，科研道路上的同行者，在很多关键时刻都给予我很大的支持和帮助，感谢你们的一路陪伴。
您在研究道路上是否曾遇到特别的困难，又是如何克服的？
段德芳：我最困难的时候应该是刚生完孩子，身体及精神都感觉非常疲惫，幸好有婆婆帮助照顾孩子，才让我尽快走出这段低迷区。之后婆婆也一直跟我们住在一起，帮助我做好后勤工作和照顾孩子，我才能有充足的时间从事科研工作，感谢婆婆的无私付出。
您对年轻学生和青年科学家，尤其是女性科学工作者，有哪些经验和建议可以分享？
段德芳：对于青年女性科学工作者，有了孩子，在很长一段时间内科研都会受到影响，如何平衡家庭和科研，是一个很难回答的问题。不同家庭情况不尽相同，只能是量力而行，重要的是保持对科研坚定不移的态度和兴趣，不忘初心，等到时间充足的时候，就可以集中精力做科研工作了。确实有忙不过来的时候可以寻求父母及朋友的帮助。我去年寒假写基金项目，两个朋友帮我轮流照顾孩子，我才得以顺利写完项目，真心感谢他们的帮助。孩子也并不总是科研的“绊脚石”，孩子那欢快纯真的笑脸，那一声声悦耳动听的“妈妈”都是我做科研的催化剂，感谢孩子的陪伴。
对年轻学生提几点建议：多读文献，发现前沿科学问题；多看书籍，用基本理论解决科学问题；努力发展新的计算方法或者新的实验技术，为创新性工作准备好有力工具。
设计：阿泽
排版：由理
美编：农民
责编：理趣
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