北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室史俊杰教授课题组提出了少氢金属键氢化物常压高温超导材料设计创新思想，取得重要进展，主要成果以标题“少氢常压延展性良好的(Be4)2H纳米超晶格的高温超导电性”（Few-Hydrogen High‑Tc Superconductivity in (Be4)2H Nanosuperlattice with Promising Ductility under Ambient Pressure）于2023年8月21日在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）。
自1911年昂内斯（Onnes）首次发现汞的超导电性至今，设计和寻找高温甚至室温超导材料成为公认的凝聚态物理的跨世纪难题，近期宣称的所谓室温超导也因此成为万众瞩目的热点。基于传统的Bardeen-Cooper-Schrieffer （BCS）理论，近年来人们利用超高压技术研究了一些多氢材料的高温超导电性，其超导转变温度已接近室温，例如，LaH10的超导转变温度Tc在170-200 GPa下高达250-260 K。然而，这类化合物大多在几百GPa的压强（完全脱离实际应用）下才能稳定存在，高的氢浓度直接导致了多氢材料差的延展性，加上实验制备条件苛刻，如何实现常压高温甚至室温超导电性并保持良好延展性，是该领域急需解决的关键瓶颈问题。
图1. 少氢金属键氢化物(Be4)2H纳米超晶格的设计思路与晶体结构。
瞄准该关键问题，综合前人的成功经验并结合课题组自己的深入探索和思考，开辟了少氢金属键氢化物常压高温超导材料设计新思路（图1）。通过在两个密堆积的铍单层（A和B）中插入一个六角氢单层（C），形成一种新的稳定的以…ABCABC…方式堆叠的少氢金属键层状铍氢化物(Be4)2H纳米超晶格，它具有比多氢、铜酸盐和铁基超导体更好的延展性，与传统的多氢共价键高温超导体在几百GPa下延展性差的设计策略完全相反。预言(Be4)2H纳米超晶格是声子介导的Eliashberg常压高温超导体，其超导转变温度Tc~78 K，填补了液氮温区延展性好的高温超导材料缺失的空白（图2）。该成果近期发表于《纳米快报》。更进一步，将该创新设计思想应用于镁氢化物(Mg4)2H，发现从非超导体Mg到(Mg4)2H，超导转变温度显著提高到37 K，可比拟MgB2，相关成果近期发表于《物理化学化学物理》（Phys. Chem. Chem. Phys., 2023, 25, 21037-21044）。
图2. 体超导材料的临界温度与发现年代的关系。
最近，该课题组在少氢金属键钙钛矿常压高温超导材料研究方面也取得重要进展。通过构建金属键钙钛矿氢化物材料在常压下实现了良好的高温超导电性。发现了第一个铝基高温超导材料Al4H，并命名为金属键钙钛矿，具有高的Tc~54 K，把最常用的铝导线变成了延展性良好的高温超导材料（图3），具有潜在的应用价值，相关成果近期发表于《物理评论B》（Phys. Rev. B, 2023, 108, 054515 (arXiv: 2301.09032))。
图3. 金属键钙钛矿Al4H 的 (a) 电子局域函数和 (b) 超导能隙随温度的变化关系。
史俊杰是相关论文的通讯作者，史俊杰课题组的2020级博士生贺勇是相关论文的独立第一作者，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所吕劲研究员和王新强教授等参与相关讨论。该研究工作得到了人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02213
