常压条件下常规超导体的最高临界温度极限：从20,000种金属材料的电子-声子耦合分析揭示理论边界

本研究通过分析20,000种金属材料的电子-声子耦合数据，揭示了常规超导体在常压下的临界温度(Tc)理论极限。团队发现ωlog与耦合常数λ存在固有制约关系，预测Li2AgH6等氢化物可能接近常压超导的实践极限(108.8K)，但热力学不稳定性使室温超导极难实现。该研究为高压超导体向常压转化提供了理论边界。

　　

超导材料自1911年汞的4.2K超导现象发现以来，始终是凝聚态物理的圣杯。从磁悬浮列车到量子计算机，其应用潜力驱动着科学家不断突破临界温度(T_c)极限。然而常压下，当前记录保持者MgB₂仅39K的T_c，与室温超导的梦想相去甚远。高压氢化物如LaH₁₀虽能实现250K超导，但百万大气压的要求扼杀了实用可能。这引出了核心科学问题：常压常规超导体的T_c是否存在理论天花板？

为回答这个问题，由Kun Gao和Miguel A. L. Marques领导的国际团队展开了材料基因组尺度的探索。他们构建了包含20,000种金属材料的电子-声子耦合数据库，结合机器学习筛选，发现两个颠覆认知的物理限制：1）尽管氢化物最高声子频率(ω_max)可达5400K（如AgTl₂H₂），但决定T_c的对数平均频率(ω_log)极少突破1800K；2）ω_log与耦合常数λ存在此消彼长的制约关系，使理想化的Eliashberg函数无法实现。

研究团队采用多尺度计算方法：通过密度泛函理论(DFT)优化晶体结构，采用PBEsol泛函处理电子关联；利用量子 espresso 软件计算声子谱；基于Allen-Dynes修正的McMillan公式估算T_c；对候选材料如Li₂AgH₆还进行全量子Eliashberg方程和超导DFT(SCDFT)验证。样本涵盖MgB₂结构衍生物、硼碳金刚石相、氢化物等体系，并通过机器学习模型拓展到1亿种化合物筛选。

关键发现

ω_log与λ的物理制约

log与λ的散点图'>

数据显示ω_log与λ呈反比关系，最优T_c需要两者平衡。例如NaNiH₃虽有高ω_log(1800K)但λ仅0.3，而Al₂OsH₇的λ达3.3却因ω_log仅300K导致T_c=38K。

理论极限材料

2AgH₆的声子谱与Eliashberg函数'>

立方结构的Li₂AgH₆展现出λ≈4和ω_log=425K的最佳组合，Eliashberg理论预测其T_c=108.8K，SCDFT计算为83K。其同位素超导特性优于多带的MgB₂，但热力学稳定性差（离凸包0.319eV/原子）。

合成可行性边界

c的帕累托前沿'>

热力学稳定性分析显示，T_c>50K的化合物均远离凸包。例如LiMoN₂虽稳定但存在本征缺陷抑制超导，而高压淬火氢化物的常压稳定性尚未证实。

这项发表于《Nature Communications》的研究确立了常压常规超导体的理论边界：1）物理上T_c可达100-120K，但需突破ω_log-λ制约；2）实践中材料稳定性成为更大障碍。团队提出的Li₂AgH₆等氢化物为高压超导体的"化学预压缩"设计提供了模板，但其合成需要突破热力学限制。尽管室温超导在常压下仍遥不可及，这项工作为筛选稳定高T_c材料建立了标准，将加速超导材料的理性设计。