近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所光子信息與能源材料研究中心在新型高溫低壓超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展。理論預(yù)言指出鈹摻雜的甲烷分子在低壓下是一種金屬并且具有超導(dǎo)電性，基于大量的計(jì)算數(shù)據(jù)揭示了鈹摻雜的甲烷分子的超導(dǎo)電性規(guī)律。相關(guān)成果以Metallization and superconductivity in methane doped by beryllium at low pressure（低壓下鈹摻雜甲烷的金屬化和超導(dǎo)性）為題發(fā)表在期刊Physical Chemistry Chemical Physics（《物理化學(xué)化學(xué)物理》），2019，DOI：10.1039/C9CP06008A）上。

甲烷（CH4）作為最簡(jiǎn)單的有機(jī)材料之一，在超導(dǎo)體的研究中具有巨大的潛力。甲烷是由非常輕的元素組成的，根據(jù)BCS理論，如果它能轉(zhuǎn)化成金屬，將是一種潛在的高溫超導(dǎo)體。然而，純CH4在常壓下是氣體，且為寬帶隙半導(dǎo)體，即使對(duì)其加壓到500萬個(gè)大氣壓，理論預(yù)測(cè)其仍不是金屬態(tài)。這表明通過簡(jiǎn)單的加壓使純CH4轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倜媾R巨大的挑戰(zhàn)。

△ 預(yù)測(cè)的不同相BeCH4的超導(dǎo)臨界溫度Tc隨壓強(qiáng)的變化。

為解決上述問題，深圳先進(jìn)院鐘國(guó)華博士與其合作者基于粒子群優(yōu)化、密度泛函理論和密度泛函微擾理論，提出了一種實(shí)現(xiàn)絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變的新思路，即通過在甲烷分子中摻雜金屬鈹。

研究人員考慮了鈹摻雜甲烷分子的晶體結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及電子-聲子相互作用。結(jié)果顯示，具有P-1空間群結(jié)構(gòu)的BeCH4在常壓下就可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，并發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，隨著壓力的增加最高超導(dǎo)臨界溫度可以提高導(dǎo)近30K。

這說明電子摻雜的CH4有希望成為一種兼具低壓和高臨界溫度的新型超導(dǎo)體。相關(guān)研究結(jié)果系統(tǒng)地揭示了這種新型超導(dǎo)體在不同壓強(qiáng)下空間結(jié)構(gòu)、金屬環(huán)和超導(dǎo)電性的變化規(guī)律，對(duì)于探索新型高溫低壓超導(dǎo)體具有重要的指導(dǎo)意義。

該研究得到深圳市基礎(chǔ)研究布局項(xiàng)目、孔雀計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金和中國(guó)工程物理研究院等項(xiàng)目的資助支持。