日前，吉林大学物理学院计算方法与软件国际中心李全教授在“高压金属氢及其超导电性”研究中获得新进展。相关研究成果以“Stress-Induced High-Tc Superconductivity in Solid Molecular Hydrogen”为题，于2022年06月24日在线发表于《美国科学院院刊》。
氢是最轻、原子结构最简单，以及宇宙中含量最多的元素。氢单质在常温常压下是由双原子分子组成的非金属气体。早在1935年，诺贝尔物理学奖得主E. Winger教授预言：氢单质在超高压强下可以转变为固态金属。1968年，美国科学院院士N. W. Ashcroft教授提出：金属氢是潜在的高温超导体。科研人员对探索金属氢的奥秘产生了浓厚的研究兴趣，并冠以其“高压物理学界圣杯”的美誉。然而，氢金属化所需的静水压强高达~ 400 GPa，严重地制约着晶体结构和电输运性质的测试研究，导致金属氢相关报道长期存在未知和异议。需要注意的是，超高压极端条件下（如 > 300 GPa），实验样品腔内会不可避免地引入不均匀变形和各向异性应力，而这种非静水压环境对固态氢结构和物性的调控效应尚不清楚。
图：分子固体氢在静水压强和非静水压强下的结构和物性
本工作利用第一性原理计算方法，系统研究了分子固体氢在非静水压强下的结构响应和物理性质演化行为。研究发现，固态分子氢竟在百万大气压下，拥有极强的抗单轴压缩和抗剪切形变能力。剪切应力的引入，导致固态氢晶格的对称性破缺和电荷的重新分布，进而诱发氢分子成键电荷向分子间转移，促使固体氢在小于300 GPa的条件下呈现出金属化及内禀超导行为。当前研究为在较低压强下获得金属氢提供了新思路。
吉林大学物理学院计算方法与软件国际中心2018级博士研究生宋贤齐和吉林大学首批鼎新学者刘畅博士为本文的共同第一作者。本文通讯作者为吉林大学物理学院李全教授和马琰铭教授、美国伊利诺伊大学芝加哥分校Russell J. Hemley教授、美国内华达大学拉斯维加斯分校Changfeng Chen教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台等项目的资助。
谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞！
论文全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122691119
