高压下新型富氢碱土金属氢化物的结构与性质

研究表明，富氢金属氢化物LiHn（n=2-8）可能在高压下形成稳定的"类分子氢"金属晶体，并可能具有超导电性。为此，富氢金属氢化物成为高压研究的热点。项目组通过对CaH6的初步研究发现，新型富氢碱土金属氢化物MH2n（M=Ca, Sr, Ba；n=2-6）却可能在高压下形成奇异的"类原子氢"金属晶体，该体系的高压研究有望获得原始创新。本项目拟采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术，结合第一性原理计算，系统探索新型富氢碱土金属氢化物MH2n在不同压力区间的晶体结构，构筑高压相图，获得类原子氢金属相的稳定区间，并研究其电子、晶格动力学与电子－声子相互作用性质。通过求解超导能隙方程，合理判断类原子氢高压相具有超导电性的可能性，揭示该结构类型与超导电性具有何种定性或定量的关联，为获得具有"类原子氢"结构的新型富氢超导体提供理论支撑。

2004年美国物理学家N. Ashcroft教授提出“富氢金属合金是潜在的高温超导体”这一著名假说。此后，富氢金属氢化物的结构与超导电性成为高压科学的研究热点。本项目中我们利用课题组发展的CALYPSO方法结合第一性原理方法研究了几种典型的富氢化合物，获得了如下创新成果：1）构筑了Ca-H体系的高压相图，预言CaH6在150-300万大气压时成为体系的最稳相,指出CaH6布里渊区中心Г点简并能级上电子的未满占据态可能诱发动态Jahn–Teller效应进而导致强电子-声子耦合和高超导电性，并基于BCS理论预测CaH6的超导转变温度在150万大气压时达到220开尔文，超过之前报道的所有氢化物。2）研究了BeH2的高压相变序列，预言202万大气压时BeH2通过R-3m到Cmcm的压致相变实现金属化，并基于BCS理论预测BeH2的超导转变温度在250万大气压时达到38开尔文。3）构筑了Cl-H体系的高压相图，预言H5Cl可以在60万大气压下被合成，该结构包含奇异的H3+分子离子，这是H3+分子离子首次在化合物中被预言可以稳定存在。本项目的研究成果为在现有实验条件下验证Ashcroft的假说指出了适宜的实验材料。