基于电子局域函数特征的氢化物超导体稳定性预测与逆向设计策略

本研究针对高压氢化物超导体难以稳定存在的瓶颈问题，通过分析124种MgHCu3衍生体系（AHCu3/MgHE3）的电子局域函数（ELF）特征，提出三种创新策略：基于ELF匹配的稳定性筛选标准（准确率76%）、金属晶格ELF模板引导的氢原子嵌入法（设计出MgH7Ba3等9种新型超导体），以及应变调控策略（使MgHNa3的Tc提升73%），为常压氢化物超导体设计提供了理论新范式。

　　

在超导材料研究领域，氢化物超导体因其逼近室温的超导转变温度（T_c）成为焦点，但绝大多数高T_c材料需要超过100 GPa的极端压力条件，这严重制约了实际应用。更棘手的是，多元氢化物体系的结构搜索犹如大海捞针——例如在H₃SXe体系中尝试65种原子替换后，仅有7种能保持稳定。这些困境揭示了一个关键科学问题：如何建立电子结构特征与材料稳定性的内在关联，从而指导高效设计？

西南交通大学（作者单位根据基金编号推断）的研究团队独辟蹊径，从电子局域函数（ELF，Electron Localization Function）这一量子化学指标入手，以MgHCu₃（常压下T_c=42 K）为模板，系统构建124种衍生体系。他们发现金属亚晶格中存在的间隙准原子（ISQ）轨道电子占据状态与结构稳定性存在显著相关性，由此发展出三大创新策略：首先提出ELF匹配度标准，可快速筛选稳定结构；其次基于ISQ轨道特征逆向设计氢原子嵌入位点，成功预测出MgH₇Ba₃（50 GPa下T_c=54.8 K）等新型超导体；最后通过5%拉伸应变使MgHNa₃的T_c提升73%。这项发表于《Materials Today Physics》的研究，为常压氢化物超导体开发提供了全新理论框架。

研究采用密度泛函理论（DFT）计算结合CASTEP软件包，通过GGA-PBE泛函处理交换关联作用，设置720 eV截断能确保精度。动态稳定性通过声子谱分析验证，超导性质采用McMillan-Allen-Dynes方程计算。

基于ELF模板的稳定性预测
通过分析62种AHCu₃和62种MgHE₃体系的ELF分布，发现当替换原子后的体系与母体MgHCu₃的ISQ轨道电子占据模式匹配度达阈值时，其稳定性预测准确率可达76%。例如在(0.5 0 0)位点保留部分电子占据特征的体系更可能稳定存在。

氢原子嵌入逆向设计
将金属晶格ELF极大值位点作为"化学模板"，采用三种氢嵌入方式设计出9种新型超导体。其中Mg₄H₉在20 GPa下T_c=84.4 K，而层状结构的MgH₇Ba₃在50 GPa仍保持超导性。

应变调控策略
对压力与T_c呈负相关的体系（如MgHNa₃），施加5%拉伸应变可使其T_c从16.4 K提升至28.4 K，这为常压超导体性能优化开辟新途径。

该研究首次建立ELF特征与氢化物稳定性的定量关联，提出的"化学模板"设计思想突破了传统试错法局限。特别是逆向设计策略成功实现"金属框架定氢位"的精准控制，为多元氢化物超导体开发提供普适性方法。未来结合机器学习进一步优化ELF匹配算法，有望加速发现更多常压稳定超导体。