Nature文献导读：西班牙材料物理中心UPV/EHU and DIPC 的Ion Errea发现了量子效应对室温超导体的影响

超导体材料，是指零电阻传导电流的导电体。传统的超导体材料都是在接近于绝对零度(-273°C 或0 k)时才表现出超导特性。然而，去年，德国研究人员发现了硫化氢在-70 °C （即203 K）就表现出超导特性，这是迄今为止发现的使用温度最高的超导材料。然而关于高温超导体的物理原理却有待进一步的研究。

西班牙材料物理中心UPV/EHU and DIPC 的Ion Errea近期发表在Nature上的研究成果表明氢的量子特性，也就是物质表现出粒子或波的可能性，对富氢化合物（潜在的室温超导体）的结构特性有显著影响。如上图中将质子的量子行为形象的表示为波动的蓝色球，展示了由质子的量子行为而产生的对称的氢键结构。

在一百万个大气压下，有臭鸡蛋气味的硫化氢就表现出超导体的性质。这一对高温超导物理学的研究进展有力地推进了室温超导体的发展，室温超导体可用于悬浮列车或者新一代的超级计算机等。

图文导读：
图1竞争阶段的晶体结构

图1中蓝色和粉色球分别代表硫原子和氢原子。左右分别为R3m和 Im m 3相对应的传统的面心立方晶胞结构，在R3m结构中，H-S共价键的键长d1由实线表示，而HS之间氢键的键长d2由虚线表示，显然，氢键键长要大于共价键键长。而在Im3m结构中，d1=d2，所以统一由晶格参数a表示。

图2 能量分析

图2分别为硫化氢H3S(a,c)和硫化氘D3S(b,d)的EBO，Evib和E=EBO+Evib的曲线图。反映的是其与其相对坐标Q的函数关系，其中Q是从Im3m结构（Q = 0）转换到到R3m结构（Q = 1），衡量氢原子偏心的参数x= (d2 − a/2)/(a/2)，其中d2为氢键的长度，a是晶格参数。图中左测（黑色）轴是表示E和Evib ，右侧（红色）轴表示EBO。由于晶体的对称性，有E（Q）= E（-Q），因此曲线方程可能是只有偶数项的多项式，再根据Landau定理，就能确定这个转变为二阶相变。计算结果呈现出两种不同的体积的原始体心立方晶格；分别为150GPa压力下V =97.85a3(a, b)和130GPa压力下 V = 102. 11a3(c, d)。这两种体积对应的压力取决于同位素和Q（参照扩展数据图1的状态方程），黑色圈代表计算的Evib值，黑色虚线为拟合的Evib（Q）曲线。E（Q）曲线是由拟合的Evib和EBO曲线加和得到的。

图3 二阶相变阶段

图3a为以体积V为横坐标，所需的最低能量为相对坐标x所绘制的曲线图，x为H原子偏离中心的测量值(见图2)。图中黑色、绿色和紫色线分别为经典核束缚理论下以及在量子情况下H3S和D3S的对应的曲线图。当x大于零时，发生第二阶段相变，由Im3m相转变为R3m相。图中还标明了相应的转变温度，同样把振动能的影响也考虑在内。B为第二阶段相图对相变压力的函数，在低于112 GPa的压力下，H3S表现为一种不同寻常的C2 / c相；图中以一个方框标记了这个相出现的阶段。

图4 声子谱和超导转变温度

图4 a,b为135 GPa (a) 和 157 GPa (b)下H3S的立方对称Im3m结构所对应的谐波和SSCHA非谐波声子谱。c为与热处理后的实验结果相比，在Im3m结构的非谐波声子下采集的超导转变温度。在175GPa之下R3m结构的非谐波声子下的超导转变温度如图4(c)中的黑色和红色米形图所示。每个压力下的测量值都把震动能考虑在内。

文献链接：Quantum hydrogen-bond symmetrization in the superconducting hydrogen sulfide system

感谢材料人编辑部刘萍提供素材