2015年，Nature刊文報(bào)道在硫化氫中發(fā)現(xiàn)了超過200K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，2018年，LaH10創(chuàng)造了260K的超導(dǎo)臨界溫度記錄。理論研究預(yù)測(cè)，不同于含有S-H極性共價(jià)鍵的硫化氫，在含有氫團(tuán)簇的金屬氫化物中同樣可以實(shí)現(xiàn)超過200K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，甚至是室溫超導(dǎo)現(xiàn)象。盡管氫化物已成為實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的最有前景的材料之一，但在真正含有4f或5f電子的稀土金屬氫化物中，未觀察到近室溫的超導(dǎo)現(xiàn)象，尤其是其復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)鮮有研究。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光子信息與能源材料研究中心研究員鐘國華團(tuán)隊(duì)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）、煙臺(tái)大學(xué)合作，聚焦含有4f電子的稀土金屬鋱（Tb），探索不同化學(xué)比例的氫化鋱成為室溫超導(dǎo)體的可能性。相關(guān)研究成果以Cage Structure and Near Room-Temperature Superconductivity in TbH_n (n = 1-12)為題，發(fā)表在Journal of Physical Chemistry C（《物理化學(xué)雜志C》）上。

研究團(tuán)隊(duì)基于高通量計(jì)算、第一性原理材料設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)TbH_n（n=1~12）系統(tǒng)能在0~350GPa的壓強(qiáng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。結(jié)果顯示，在由Tb和H形成的二元稀土氫化物中，具有TbH₄、TbH₅、TbH₆、TbH₉、TbH₁₀、TbH₁₂等一系列化學(xué)配比的系統(tǒng)中氫原子結(jié)合成了籠型結(jié)構(gòu)，并展現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性，這預(yù)示著籠狀結(jié)構(gòu)對(duì)提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有重要意義。TbH₁₀結(jié)構(gòu)相在250GPa的壓強(qiáng)下，實(shí)現(xiàn)了約280K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，成為稀土金屬氫化物中真正含有4f電子的近室溫超導(dǎo)體。該研究還深入討論了4f電子在壓力下的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，以及4f電子對(duì)電聲相互作用的貢獻(xiàn)，指出該高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制來源于4f電子態(tài)在高壓下的局域-巡游轉(zhuǎn)變和其在氫原子子晶格中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的共振耦合。

深圳先進(jìn)院碩士生海玉龍為論文第一作者，鐘國華為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究布局等的支持。

TbH₁₀-Fm3m晶體結(jié)構(gòu)及Tb-H化合物超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（左）和TbH₁₀-Fm3m聲子譜、聲子態(tài)密度、Eliashberg 譜函數(shù)α²F（ω）和電聲耦合強(qiáng)度積分（右）