NpjComput.Mater.：新型籠目結構：氫金屬、電荷密度波態和增強超導性

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近年來，籠目結構同時表現出超導、電荷密度波、電子向列相以及時間反演對稱性破缺等多方面特性引發了極大的關注。3d過渡金屬中展示出典型的籠目晶格能帶結構具有Dirac色散、鞍點和平帶特徵。後兩種特徵與電子相關效應緊密結合，有望誘導相關量子態，如電荷密度波和超導態。然而，在真實的籠目材料中很難實現這兩種相關有序相；因此，設計簡單的籠目晶格來闡明引起電荷密度波和超導形成的潛在原因並揭示它們之間的關聯機制至關重要。

近日，寧波大學劉召副研究員、崔田教授攜手內蒙古民族大學莊全副教授等人提出一種具有理想籠目能帶色散特徵的新型輕質量氫籠目超導體，為探索與電荷有序相關聯的超導態提供了一個全新的研究平臺。透過結合籠目晶格獨特的能帶結構特徵和眾所周知的氫的高德拜溫度特點，該研究基於二元電子化合物腔體間隙電子態作為指紋並確保氫原子按照指紋以特定方式排列來構建模型方法，從而設計出具有高超導轉變溫度的氫籠目結構範例。採用該方法設計出的系列高壓下氫籠目超導體AH₃Li₅（A=C、Si、P）並揭示了電-聲耦合作用負責電子配對的機制。相比於釩基籠目結構相對較低的超導轉變溫度，具有代表性的氫籠目金屬PH₃Li₅和CH₃Li₅在高壓下展現出較高的超導轉變溫度：分別為120.09 K和57.18 K。此外，研究表明在氫籠目金屬CH₃Li₅中電荷密度波態與超導態存在競爭關係，從而誘匯出一個由壓力驅動呈穹頂狀的超導態。同時，研究表明電荷密度波相的產生是由電-聲耦合和費米麵巢狀協同作用引起的。氫籠目超導體對於觀察新的物理現象和理解其背後的物理關聯至關重要，該研究對深入理解電荷密度波和以聲子為媒介的超導態形成機制提供了重要見解，為後續的理論設計和實驗探索新型高溫超導氫籠目金屬提供了重要的理論支撐。

圖一（a）圖解說明獲得氫籠目結構的計算輔助方法。（b-e）高壓下氫籠目超導體PH₃Li₅的結構、能帶結構和電子態密度。

圖二（a）CH₃Li₅的電-聲子耦合相關引數。（b）超導隨壓強的變化。（c-d）CH₃Li₅的聲子線寬和（d）巢狀函式ξ_q沿典型q路徑隨壓力的演化曲線。

圖三（a）25GPa下P6/mmm-CH₃Li₅和（b）CDW相的聲子色散。（c）CDW相的形成過程。（d）CDW相的電子態密度。

圖四 Lindhard響應函式和電-聲耦合強度。（a）30GPa下xz平面中P6/mmm相歸一化Lindhard響應函式的虛部和實部。（c）在不同壓力下，P6/mmm相沿高對稱路徑的靜態電荷磁化率和（d）不同壓強下電-聲耦合強度。

該論文的第一作者是寧波大學劉召副研究員，通訊作者為寧波大學崔田教授和內蒙古民族大學莊全副教授，該工作同時也得到了寧波大學劉中灝教授和中國科學技術大學應劍俊教授的支援和幫助。該文近期發表於npj Computational Materials10,: 281 (2024)，英文標題與摘要如下，點選左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Proposed Hydrogen Kagome Metal with Charge Density Wave State and Enhanced Superconductivity

Zhao Liu(劉召), Zhonghao Liu(劉中灝), Quan Zhuang*(莊全), Jianjun Ying(應劍俊) and Tian Cui*(崔田)

The d-transition kagome metals provide a novel platform for exploring correlated superconducting state intertwined with charge ordering. However, the force of charge-density-wave (CDW) and superconductivity (SC) formation, and the mechanism underlying electron pairing remain elusive. Here, utilizing our newly developed methodology based on electride states as fingerprints, we propose a novel class of hydrogen-kagome superconductors AH3Li5 (A=C, Si, P) with ideal kagome band characteristics and elucidate the electron-phonon coupling (EPC) mechanism responsible for electron pairing. The representative compressed PH3Li5 and CH3Li5 demonstrates impressive superconducting transition temperatures (Tcs) of 120.09 K and 57.18 K, respectively. Importantly, the CDW competes with SC thus resulting in a pressure-driven dome-shaped SC in CH3Li5, where the CDW order was induced by both EPC and Fermi surface nesting. Our study presents a scientific method for identifying high-Tc hydrogen-kagome metals and provides new avenues to fundamentally understand the underlying mechanism of CDW and SC, thereby guiding future experimental investigations.