Nature文獻導讀：西班牙材料物理中心UPV/EHU and DIPC 的Ion Errea發現了量子效應對室溫超導體的影響

超導體材料，是指零電阻傳導電流的導電體。傳統的超導體材料都是在接近于絕對零度(-273°C 或0 k)時才表現出超導特性。然而，去年，德國研究人員發現了硫化氫在-70 °C （即203 K）就表現出超導特性，這是迄今為止發現的使用溫度最高的超導材料。然而關于高溫超導體的物理原理卻有待進一步的研究。

西班牙材料物理中心UPV/EHU and DIPC 的Ion Errea近期發表在Nature上的研究成果表明氫的量子特性，也就是物質表現出粒子或波的可能性，對富氫化合物（潛在的室溫超導體）的結構特性有顯著影響。如上圖中將質子的量子行為形象的表示為波動的藍色球，展示了由質子的量子行為而產生的對稱的氫鍵結構。

在一百萬個大氣壓下，有臭雞蛋氣味的硫化氫就表現出超導體的性質。這一對高溫超導物理學的研究進展有力地推進了室溫超導體的發展，室溫超導體可用于懸浮列車或者新一代的超級計算機等。

圖文導讀：
圖1競爭階段的晶體結構

圖1中藍色和粉色球分別代表硫原子和氫原子。左右分別為R3m和 Im m 3相對應的傳統的面心立方晶胞結構，在R3m結構中，H-S共價鍵的鍵長d1由實線表示，而H???S之間氫鍵的鍵長d2由虛線表示，顯然，氫鍵鍵長要大于共價鍵鍵長。而在Im3m結構中，d1=d2，所以統一由晶格參數a表示。

圖2 能量分析

圖2分別為硫化氫H3S(a,c)和硫化氘D3S(b,d)的EBO，Evib和E=EBO+Evib的曲線圖。反映的是其與其相對坐標Q的函數關系，其中Q是從Im?3m結構（Q = 0）轉換到到R3m結構（Q = 1），衡量氫原子偏心的參數x= (d2 ? a/2)/(a/2)，其中d2為氫鍵的長度，a是晶格參數。圖中左測（黑色）軸是表示E和Evib ，右側（紅色）軸表示EBO。由于晶體的對稱性，有E（Q）= E（-Q），因此曲線方程可能是只有偶數項的多項式，再根據Landau定理，就能確定這個轉變為二階相變。計算結果呈現出兩種不同的體積的原始體心立方晶格；分別為150GPa壓力下V =97.85a3(a, b)和130GPa壓力下 V = 102. 11a3(c, d)。這兩種體積對應的壓力取決于同位素和Q（參照擴展數據圖1的狀態方程），黑色圈代表計算的Evib值，黑色虛線為擬合的Evib（Q）曲線。E（Q）曲線是由擬合的Evib和EBO曲線加和得到的。

圖3 二階相變階段

圖3a為以體積V為橫坐標，所需的最低能量為相對坐標x所繪制的曲線圖，x為H原子偏離中心的測量值(見圖2)。圖中黑色、綠色和紫色線分別為經典核束縛理論下以及在量子情況下H3S和D3S的對應的曲線圖。當x大于零時，發生第二階段相變，由Im?3m相轉變為R3m相。圖中還標明了相應的轉變溫度，同樣把振動能的影響也考慮在內。B為第二階段相圖對相變壓力的函數，在低于112 GPa的壓力下，H3S表現為一種不同尋常的C2 / c相；圖中以一個方框標記了這個相出現的階段。

圖4 聲子譜和超導轉變溫度

圖4 a,b為135 GPa (a) 和 157 GPa (b)下H3S的立方對稱Im?3m結構所對應的諧波和SSCHA非諧波聲子譜。c為與熱處理后的實驗結果相比，在Im?3m結構的非諧波聲子下采集的超導轉變溫度。在175GPa之下R3m結構的非諧波聲子下的超導轉變溫度如圖4(c)中的黑色和紅色米形圖所示。每個壓力下的測量值都把震動能考慮在內。

文獻鏈接：Quantum hydrogen-bond symmetrization in the superconducting hydrogen sulfide system

感謝材料人編輯部劉萍提供素材