压力诱导氢在金属铼中的溶解及其固溶体的超导电性分析

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寻找高温超导材料一直都是凝聚态物理领域的热点之一。最初的理论预测—高压下金属氢具有100 K700 K的超导转变温度也一直是无数科研工作者们想要努力论证的课题。但是由于实验条件的限制,氢的金属化压力和演化路径至今仍存在争议。2004年,Ashcroft提出在氢中加入其他化学元素可以对金属氢的晶格产生“化学预压缩”的作用,使其在较低的压力下发生金属化并产生与金属氢类似的高温超导电性。随后,高压下富氢化合物被科学家们进行了广泛的研究,而且SH3和LaH10中的高温超导已经得到了实验的证实。在探索富氢化合物和超氢化合物的高压实验中,金属铼常被用作垫片材料,这是由于其具有较高的体积弹性模量(370 GPa)和低脆性。但是相关实验中的氢化物可能会发生分解释放出氢原子并溶解到铼中形成Re-H固溶体。目前,已有相关实验对Re-H化合物进行过研究,但理论上鲜有对其微观层面(比如:电子性质、超导机制等)的探索。因此,我们基于第一性原理计算,对高压下Re-H固溶体微观层面的性质进行了系统的理论探究。我们在150 GPa的压力范围内,探究了H在金属Re中的溶解度随压力升高的变化情况,并对Re-H固溶体的晶体结构、电子性质、晶格动力学特征及电声耦合作用进行了从头计算。预测出了六种热力学稳定的不同配比的固溶体,并且发现氢在铼中的溶解度随着压力增加而升高。对比Re-H固溶体与Re单质的晶体结构知道,氢原子溶解进入金属铼的晶格间隙中,且氢填充后的铼基底的空间构型并未随着氢含量的增加而改变。通过分析费米面处电子态密度和电子局域函数,发现六种Re-H固溶体均表现为金属性和强离子性,并且都发生了电子由Re原子向H原子的转移。随后,我们对氢在金属铼中的溶解度对Re-H固溶体超导电性的影响进行了探究。由于H的质量很小,其在Re中溶解度的升高提升了固溶体的声子振动频率;此外,Re-H固溶体在费米面处电子态密度N(εF)主要是由Re原子贡献的,随着H溶解度的升高,Re原子向H原子转移的电子逐渐增多,导致了固溶体N(εF)的降低。声子频率的升高和费米面处电子态密度的降低最终使得Re-H固溶体的电声耦合常数λ和超导转变温度Tc随着H溶解度的升高而降低。我们的探究进一步阐述了金属基底氢化物中H的溶解度对其超导电性的影响,或将有利于新型氢化物超导材料的探索。
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