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为探寻高温超导体，研究人员将重稀土元素融入 Be-H 合金框架，发现XBeH8（X=Tm、Yb、Lu）能提升Tc并维持低压稳定性，为设计高温超导材料提供新策略。
# 重稀土金属压缩 Be-H 合金骨架中高温超导性的研究解读
在超导领域，自发现汞在极低温度下具有无阻导电性以来，科学家们便踏上了追求室温超导体的漫长征程。氢，作为最轻的元素，自 1935 年被发现高压下可金属化后，凭借 BCS 理论，成为室温超导的潜在候选者。然而，实现氢的金属化困难重重，于是，利用富氢化合物的氢预压缩效应来探索高温超导的道路逐渐成为研究热点。此前，诸多超氢化物如
CaH6、
H3S、
YH6、
LaH10等被预测具有高
Tc（超导转变温度），且部分已得到实验验证。
不过，当前的研究仍面临诸多挑战。在探索新型超导材料时，如何在相对较低压力下实现较高的Tc，并保证材料的稳定性，成为亟待解决的问题。为了攻克这些难题，宁波大学物理科学与技术学院高压物理研究所等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《iScience》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在结构搜索方面，运用从头算随机结构搜索（AIRSS）代码方法从第一性原理对XBeH8（X=Tm、Yb、Lu）进行结构搜索，并使用剑桥顺序总能量包（CASTEP）代码结合超软赝势进行结构弛豫。在性质计算时，利用 CASTEP 代码计算最终结构弛豫、焓以及能带结构。而超导性计算则借助 Quantum-ESPRESSO，通过求解 Eliashberg 方程（scE）来估算超导转变温度。
研究结果
- 晶体结构：研究人员将LaBeH8扩展到XBeH8，其中X为Tm、Yb或Lu。Be?H合金骨架呈萤石型结构，与LaH10相似，其H?H键长因金属元素向H?H键的电荷转移而变长，这对结构的低压稳定性至关重要。
- 超导特性：通过 Eliashberg 方程自洽解估算出Tc。TmBeH8在 80GPa 时，Tc为 41 - 48K ，电子 - 声子耦合（EPC）参数λ为 1.04，对数平均声子频率ωlog为 657K 。YbBeH8在 100GPa 稳定，Tc为 134 - 145K，λ为 2.41，ωlog为 564K 。LuBeH8在 140GPa 稳定，Tc高达 228 - 245K，λ为 3.29，ωlog为 642K 。虽然LuBeH8的Tc显著高于LaBeH8，但在低压稳定性上却不如LaBeH8。
- 稳定性：对Fm?3m?XBeH8结构进行 100 - 300GPa 的结构搜索，结果表明这些结构的焓均高于各组分，属于亚稳相。TmBeH8、YbBeH8和LuBeH8与凸包的距离分别为 38meV/atom、71meV/atom 和 147meV/atom，这意味着实验合成这些结构具有一定挑战。
研究结论与讨论
在这项研究中，研究人员将重稀土元素引入萤石型Be?H合金骨架，成功使新形成的XBeH8结构在较低压力下保持稳定的同时实现了更高的Tc。TmBeH8在 80GPa 时展现出 41 - 48K 的Tc ，YbBeH8在 100GPa 稳定，Tc为 134 - 145K ，LuBeH8在 140GPa 稳定，Tc为 228 - 245K 。
研究还发现，4f 电子对Be?H骨架的超导性有显著影响。对于TmBeH8，其部分填充的 4f 轨道在费米能级处产生的低氢态密度（DOS）降低了Tc ，不过其在 0 - 1200cm?1范围内的振动模式对 EPC 贡献显著，且缺陷结构可能提高超导转变温度。YbBeH8中，Yb的 4f 电子对超导性的负面影响较小，其 0 - 1200cm?1范围内的振动模式主导了 EPC 。LuBeH8由于其 4f 轨道和额外 5d 电子的作用，对超导性的负面影响最小，氢电子在费米表面占主导，其电子 - 声子耦合源于更宽的频率范围。
这些研究成果为在相对温和压力条件下设计高Tc氢化物超导体提供了有效策略，极大地推动了超导材料领域的发展，为未来实现室温超导的目标奠定了坚实基础。但研究也存在局限性，仅考虑了理想的无缺陷结构，由于重稀土元素含 f 电子，计算量过大，对缺陷影响的研究受限，后续研究可在此方向进一步探索。
