Novo estudo analisa o progresso em supercondutores ternários ricos em hidrogênio

A supercondutividade em temperatura ambiente tem sido um sonho secular dos cientistas. Compostos ricos em hidrogênio em altas pressões são previstos como potenciais supercondutores de alta temperatura e até mesmo de temperatura ambiente e se tornaram um dos materiais supercondutores que receberam muita atenção nos últimos anos.

As temperaturas de transição supercondutora do hidreto covalente H₃S e hidretos de clatrato iônico (LaH₁₀YH₉YH₆) previstos teoricamente e sintetizados experimentalmente excedem 200 K, que são os hidretos binários mais representativos com supercondutividade de alta temperatura.

Entretanto, essas duas classes típicas de hidretos binários são geralmente estáveis ​​acima da pressão de megabar, o que já é muito menor do que a pressão necessária para a metalização do hidrogênio sólido, mas ainda limita as aplicações práticas.

Reduzir ainda mais a pressão de estabilização e aumentar a temperatura de transição supercondutora de supercondutores ricos em hidrogênio são questões científicas importantes neste campo.

Hidretos ternários têm componentes químicos e estruturas cristalinas mais ricos, prometendo sinergizar as vantagens de múltiplos elementos para hospedar propriedades únicas. Por exemplo, LaBeH₈ pode manter estabilidade dinâmica e supercondutividade em alta temperatura abaixo da pressão de megabar.

As temperaturas de transição supercondutoras de hidretos de clatrato ternários, como Li₂MgH₁₆Eu₂Não H₁₇são muito mais altas que a temperatura ambiente.

Essas descobertas demonstram que a sinergia multielementar é uma estratégia eficaz para otimizar a estrutura e as propriedades supercondutoras de materiais ricos em hidrogênio e incentivam a exploração de hidretos ternários e multicomponentes.

Enquanto isso, as estruturas complexas e superfícies de energia potencial dos hidretos ternários aumentam a dificuldade de previsões teóricas e sínteses experimentais, enfrentando muitas oportunidades e desafios. É urgente investigar mais profundamente a relação interna entre a estrutura e as propriedades de tais hidretos para promover a exploração de supercondutores de alta temperatura ricos em hidrogênio.

O Prof. Tian Cui da Universidade de Ningbo/Universidade de Jilin e o grupo do Prof. Defang Duan da Universidade de Jilin revisaram sistematicamente o progresso da pesquisa de supercondutores ternários ricos em hidrogênio de alta temperatura à luz de resultados de pesquisas recentes. O estudo foi publicado no periódico Revista Nacional de Ciências.

Eles revelaram de forma abrangente os principais fatores que ajustam a estabilidade estrutural, bem como a supercondutividade de materiais ricos em hidrogênio em termos de estrutura cristalina, estrutura eletrônica e acoplamento elétron-fônon, abrindo caminho para o design e síntese de novos materiais supercondutores ricos em hidrogênio. Posteriormente, eles destacaram novas questões científicas neste campo e aguardaram oportunidades e desafios para pesquisas futuras.

Com foco nas duas principais questões científicas de redução da pressão de estabilidade estrutural e melhoria da supercondutividade, os autores revelaram o ajuste de alta pressão, o processo sinérgico e a interação microscópica da estrutura e das propriedades de compostos ternários ricos em hidrogênio.

Primeiro, a supercondutividade de compostos ricos em hidrogênio é intimamente dependente de seus motivos estruturais especiais, especialmente das características de ligação da sub-rede de hidrogênio. O hidrogênio estabilizado em uma forma atômica geralmente exibe alta densidade eletrônica de estados no nível de Fermi e induz forte acoplamento elétron-fônon.

Portanto, a chave para aumentar a supercondutividade está na sinergia de elementos com raio e eletronegatividade apropriados para manter mais hidrogênio estabilizado em formas atômicas. Por exemplo, os átomos de hidrogênio em Li₂Não H₁₇ adquirem um grande número de elétrons dos elementos metálicos, expandindo-se para formar uma sub-rede de clatrato semelhante a um átomo que exibe excelente supercondutividade em altas temperaturas.

Enquanto isso, o ajuste sinérgico de múltiplos elementos pode induzir o aninhamento da superfície de Fermi e o amolecimento dos modos de fônons, características que são favoráveis ​​para melhorar ainda mais o acoplamento elétron-fônon.

Por outro lado, a sub-rede de hidrogênio ligado tem mais probabilidade de ser estabilizada em pressões moderadas e manter a supercondutividade em alta temperatura. Por exemplo, LaBeH₈ contém uma rede de liga de hidrogênio do tipo fluorita composta pelos elementos leves Be e H, com temperatura crítica T_c até 110 K medido experimentalmente a 80 GPa.

Além disso, os autores enfatizaram que elementos metálicos de contorno sd, elementos de terras raras pesadas contendo elétrons f e ligas de hidrogênio em solução sólida desempenham um papel importante na otimização da estrutura e propriedades de hidretos. Hidretos ternários e multicomponentes representam a próxima fronteira na exploração de hidretos supercondutores.

O desenvolvimento de algoritmos de alto desempenho, como predição de estrutura cristalina, aprendizado de máquina e técnicas experimentais de alta pressão promoverão a exploração de hidretos multicomponentes. Espera-se que haja mais novos avanços no design e síntese de novos hidretos supercondutores.

O Prof. Tian Cui e o Prof. Defang Duan são os coautores deste trabalho.