在低于预想压力下发生超导的原因的理论解释在低压室温下实现超导的方法途径

国立研究开发法人国立材料科学研究所（NIMS）

国立大学法人东北大学

国立大学法人东京大学

国立研究开发法人理化研究所

由NIMS、东北大学、东京大学、理化研究院等组成的国际研究小组通过计算机模拟发现，由于原子核的量子涨落，在-23℃的接近室温下变为超导的高压氢化镧是在宽压力范围内稳定的量子固体。这一发现表明，富含氢的富氢化合物可在比以往低得多的压力下实现高温超导甚至室温超导。

概要

1、由NIMS、东北大学、东京大学、理化研究院等组成的国际研究小组通过计算机模拟发现，由于原子核的量子涨落，在-23℃的接近室温下变为超导的高压氢化镧是在宽压力范围内稳定的量子固体。这一发现表明，富含氢的富氢化合物可在比以往低得多的压力下实现高温超导甚至室温超导。

2、超导体因具有零电阻而能够无能量损失地传输电能，因此被认为是解决环境能源问题的关键而备受关注。特别是实现室温超导，一直是人类的梦想，迄今为止已经进行了许多研究。其中，2019年有报告称，氢化镧在130至220GPa的高压下，在绝对温度250 K（-23°C）的接近室温下变为超导，创造了当时的最高超导转变温度。LaH10具有能在高温下实现超导性的立方结构，可在130至220GPa的宽压力范围内稳定存在。然而，先前的理论计算预测需要230GPa或更高的高压才能稳定该结构。立方结构在比理论预测值低100GPa的压力下也能保持稳定的原因也成为了广受关注的焦点。 3、在本研究中，着重于在此前的理论计算中被忽略的原子核的量子涨落，将此效应加入计算机模拟中。结果表明，高压氢化镧中氢原子核的量子涨落非常剧烈，而立方LaH10借助量子涨落效应稳定在宽压力范围内的“量子固态”状态。另外，通过将量子涨落效应考虑在内进行计算，准确地解释了再实验中获得的超导转化温度，包括其压力依赖性。 4、原子核量子涨落是在诸多材料中发现的普遍现象。目前，期待发现其他富氢化合物，进一步刷新高压下氢化镧的超导转变温度。而通过使用本研究的模拟方法，将量子涨落效应考虑在内，可以更准确地对此类候选材料的组成和结构进行理论预测。未来将扩大其适用范围，对室温超导材料做出理论预测。 5、本研究由国立材料科学研究所磁性和自旋电子材料研究中心研究员只野央将、东北大学理学研究生院副教授是常隆和东京大学工学研究生院教授有田亮太郎（理化研究所新型物性科学研究中心计算材料科学研究小组组长）、巴斯克大学（University of Basque Country）的Ion Errea博士、马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的安东尼奥·桑纳（Antonio Sanna）博士、索邦大学的马特奥·卡兰德拉（Matteo Calandra）博士、罗马·萨皮恩扎大学的弗朗切斯科·毛里（Francesco Mauri）教授及何塞·A ·弗洛雷斯·里瓦斯博士等组成的国际研究小组进行。此外，本研究的一部分隶属于科研经费项目（No. 16H06345）“设计和功能开发高相关的材料－对非平衡和非周期性系统的挑战”、（No.18K03442）“通过基于第一原理计算的多方面方法搜索超导材料”、以及（No.19H05825）“量子液晶的理论构造”。 6、本研究成果于当地时间2020年2月5日18：00（北京时间6日02：00）在线发表于《自然》杂志。

新闻发布中的示意图：立方晶LaH10的笼状结构和势能面概念图（图片来自nims.go.jp）

发表论文标题 : Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride 作者：Ion Errea, Francesco Belli, Lorenzo Monacelli, Antonio Sanna, Takashi Koretsune, Terumasa Tadano, Raffaello Bianco, Matteo Calandra, RyotaroArita, Francesco Mauri, and José A. Flores-Livas 杂志：《自然》发表日期：当地时间2020年2月5日18：00（北京时间6日02：00） DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1955-z 参考日本报道原文：https://www.nims.go.jp/news/press/2020/02/202002060.html

近室温超导体 量子固体高压氢化镧

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