在 GNoME 数据库中寻找热力学稳定的常压超导氢化物

为什么室温超导体很重要

超导体是能够无能量损失传导电流的材料，承诺带来超高效的电网、功能强大的医学成像设备以及悬浮列车等应用。问题在于，当今最好的超导体通常只在极低温度或极高压力下工作。本文探讨一种富含氢的特殊材料类别——氢化物——是否可能在日常的常压条件下表现出超导性，这是迈向实用器件的关键一步。

在晶体干草堆中寻找针

过去十年里，科学家发现了一些在接近室温的温度下出现超导性的氢化物，但这些都需在金刚石砧所施加的、超过大气压百万倍的高压下才成立。这样的条件对于实际的电缆或电子设备并不现实。与此同时，理论提示某些氢化物可能在远低得多的压力下，甚至在常压下就能超导，但许多有希望的相在实际中看来太不稳定而难以存在。本研究的核心问题是：是否存在在室温压力下热力学稳定且具有足够高超导转变温度以具备技术价值的氢化物？

让智能数据库来承担繁重工作

作者转向了最近发布的资源——GNoME 数据库，这是一份在绝对零度下被判定为稳定的计算预测晶体的大型集合。在超过 30 万个候选体中，他们首先筛除了非金属材料，并集中于具有立方晶形的样本，这种结构已知有利于氢化物的超导性。这样得到一个可管理的几百个氢化物集合。为了避免对每个候选体进行耗费巨大的详尽计算，他们使用了一个机器学习模型——一个在已知超导体上训练的先进神经网络——以快速估算每种材料的临界转变温度。

从快速估算到精确计算

只有在机器学习阶段表现最有前景的候选体才被送入更严格的量子力学计算。这些高精度模拟处理材料中电子与晶格振动的相互作用，这是传统超导机理的关键。在第二阶段中，研究人员计算出更可靠的转变温度，并识别出 25 种在液氦沸点（4.2 开尔文）以上应能超导的氢化物。其中大多数的临界温度介于 5 到 10 开尔文之间，与一些商用超导合金相似，但关键在于它们被预测在常压下热力学稳定，使其成为更现实的实验合成目标。

一位突出候选及其内部机理

一种名为 LiZrH6Ru 的立方氢化物在这次筛选中脱颖而出。初步估算表明其转变温度在 20 开尔文以上，对于一个稳定的常压氢化物来说已经相当高。团队随后对该材料进行了系列高端理论检验，包括考虑氢原子的量子运动、细微的电子-电子排斥效应以及不同电子能带对超导性的差异贡献等方法。这些越来越精细的处理将最佳转变温度的估计下调到约 17 开尔文，但同时增强了预测的可靠性。他们还表明适度加压可以进一步提高其转变温度，同时仍远低于那些创纪录氢化物所需的巨大压力。

前景、局限与下一步

尽管所发现的氢化物在常压下的性能距离室温尚有很大差距，这项研究传达了一个重要信息：当严格要求真正的热力学稳定性时，在常压下最现实的超导氢化物其临界温度预计至多为几十开尔文，属于温和但仍具技术意义的范围。作者认为他们经过严格筛选的 25 个候选体，尤其是 LiZrH6Ru，为实验者提供了一组具体且可实现的目标。在实验室中确认这些预测将既推动潜在应用的发展，又能提升用于搜索广阔超导材料空间的工具与方法。

引用: Sanna, A., Cerqueira, T.F.T., Cubuk, E.D. et al. Search for thermodynamically stable ambient-pressure superconducting hydrides in the GNoME database. Commun Phys 9, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02552-4

关键词: 超导性, 氢化物, 机器学习, 材料发现, 常压