高压下MgP2H14氢化物的超导特性与电子掺杂效应：迈向室温超导体的新策略

本研究针对氢基超导体临界温度(Tc)提升的挑战，通过第一性原理计算揭示了MgP2H14在280 GPa下166 K的高温超导性。团队发现H振动与1s电子强耦合是超导主因，并提出电子掺杂需同步提升H-PDOS（氢投影态密度）才能有效增强Tc，为设计新型超导体提供了关键理论依据。

　　

超导材料研究领域长期追求室温超导的突破，而高压氢化物被视为最有潜力的候选体系。尽管硫氢化物和镧氢化物已实现200 K以上的超导转变，但极端压力条件（百万大气压级）仍是实际应用的重大障碍。Ashcroft提出的化学预压缩理论为降低压力需求指明了方向，但如何通过元素替代精准调控电子-声子相互作用仍是未解难题。

西南交通大学物理科学与技术学院键合与能带工程组的研究人员通过计算筛选，发现用Mg替代LiP₂H₁₄中的Li可形成新型笼状结构MgP₂H₁₄。该结构在260-500 GPa压力范围内保持动态稳定，其T_c达166 K（μ*=0.1），电子-声子耦合强度(λ)高达1.65。研究首次阐明：在类似原子质量的氢化物中，低〈ω²〉（声子频率均方值）更有利于EPC增强；而电子掺杂能否提升超导性，取决于新增电子是否在费米能级附近形成氢占据态。这项发表于《iScience》的工作为氢基超导体设计提供了定量调控原则。

研究采用密度泛函理论(DFT)结合密度泛函微扰理论(DFPT)计算电子结构，通过量子ESPRESSO软件包求解各向同性Migdal-Eliashberg方程预测T_c。利用晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析化学键性质，并通过ab initio分子动力学(AIMD)验证热力学稳定性。关键参数计算采用32×32×32 k点网格和16×16×16 q点网格，Wannier插值精度通过23个原子轨道（H-s, Mg-s, P-s, P-p）的MLWF（最大局域化Wannier函数）实现。

晶体结构与稳定性

MgP₂H₁₄呈现R3空间群的笼状结构，由P中心的H₉笼和Mg中心的H₁₄笼构成。声子谱分析显示其在260 GPa以上无虚频，AIMD模拟证实300 K下结构稳定。相图计算表明该化合物为亚稳态，可能通过Mg+2P+14H或MgH₂+2P+12H路径合成。

电子结构特征

能带结构显示两个穿越费米面的σ带，源于P-p与H-s轨道杂化。H原子贡献58.4%的费米面态密度，电子局域函数(ELF)证实P-H键为极性共价键，而Mg-H主要为离子键。Bader电荷分析显示Mg向H转移1.4636e，显著高于P的1.0269e。

超导机制解析

Eliashberg谱函数α²F(ω)揭示61%的EPC来自H相关振动模式，特别是L点380 cm^-1的软模（H晶格弯曲振动）。压力实验显示T_c随压力升高而降低（280→400 GPa时λ从1.65降至1.02），这与软模消失密切相关。

电子掺杂效应

对比LiP₂H₁₄、BeP₂H₁₄、NaP₂H₁₄体系发现：虽然Mg比Na多提供1个价电子，但因未能显著增加H-PDOS且〈ω²〉较高，其T_c反而低于NaP₂H₁₄（400 GPa时分别为122 K和159 K）。

该研究确立了氢基超导体设计的双重准则：需同时优化电子掺杂（提升H-PDOS）和声子软化（降低〈ω²〉）。MgP₂H₁₄的亚稳态特性提示实验合成需采用非平衡制备技术，其笼状结构为探索常压稳定化提供了新思路。这些发现不仅深化了对高压超导机制的理解，更为后续材料设计提供了可量化的调控维度。