[论文解读] The systematic study on the stability and superconductivity of Y-Mg-H compounds under high pressure

Peng Song, Zhufeng Hou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 58被引用 26

一句话总结

本研究利用演化算法与从头算计算，识别出在高压条件下稳定的超导 Y-Mg-H 化合物。结果表明，类笼状结构如 Fd̄3m-YMgH12 在 200 GPa 压力下因氢笼衍生的电子态与声子态产生强电子-声子耦合，表现出较高的超导转变温度（Tc = 190 K）。

ABSTRACT

Motivated by recent discovery of yttrium-based high-temperature ternary superconducting hydrides (e.g., CaYH$_{12}$, LaYH$_{12}$, and ScYH$_{6}$), we have employed evolutionary algorithm and first-principles calculations to comprehensively examine the structural stability and superconductivity of the YMgH$_{x}$ system at high pressure. The hydrogen content $x$ and the pressure are both important factors in the stability of these candidate structures. We find that the stability of hydrogen-rich materials frequently necessitates higher pressure. For instance, the pressures to stabilize $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ and $Cmmm$-YMgH$_{12}$ are both more than 250 GPa. Hydrogen-less materials, such as $I4_{1}/amd$-YMgH$_{2}$ and $P6_{3}/mmc$-YMgH$_{3}$, can be stable at pressures as low as 100 GPa. In addition, we find a metastable structure for YMgH$_{6}$ with the same space group as the $P4/mmm$-YMgH$_{8}$. A metastable sodalite-like face-centered cubic (FCC) structure is also found in YMgH$_{12}$. These four clathrate structures of $P4/mmm$-YMgH$_{6}$, $P4/mmm$-YMgH$_{8}$, $Cmmm$-YMgH$_{12}$, and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ is made up of H14, H18, H24, and H24 cages, respectively, in which the H-H pair exhibits weak covalent bonding. According to phonon calculations, $P4/mmm$-YMgH$_{6}$ and $P4/mmm$-YMgH$_{8}$ require a pressure of 300 GPa to maintain dynamic stability, however $Cmmm$-YMgH$_{12}$ and $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ can maintain dynamic stability at pressures of 200 GPa and 250 GPa, respectively. Electron-phonon coupling calculations indicate that they might be potential high-temperature superconductors, with superconductivity intimately linked to the H cage structure. The sodalite structure $Fd\bar{3}m$-YMgH$_{12}$ has a $T_\mathrm{c}$ value of 190 K and a strong electron-phonon coupling constant of 2.18.

研究动机与目标

• 识别在高压条件下稳定的、具有超导性的 Y-Mg-H 化合物，动机源于近期对高 Tc 三元氢化物的发现。
• 研究氢含量（x）、压力与 YMgHx 化合物结构稳定性之间的相互作用。
• 确定有前景相的超导转变温度（Tc）与电子-声子耦合强度。
• 探讨类笼状氢笼结构在增强电子-声子耦合与超导性中的作用。

提出的方法

• 采用 USPEX 演化算法搜索 100、200 和 300 GPa 压力下 YMgHx（x = 2–16）的稳定晶体结构。
• 使用 VASP 中的密度泛函理论（DFT）与 PBE 泛函优化几何结构并计算生成焓。
• 通过 Quantum-ESPRESSO 和 Phonopy 进行声子计算，评估动力学稳定性。
• 利用含时微扰理论与 McMillan 公式计算电子-声子耦合与 Tc。
• 构建热力学凸包以评估各压力下相对稳定性和相竞争关系。
• 分析电子态密度与声子态密度，建立氢笼结构与增强电子-声子耦合之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压条件（100–300 GPa）下，哪些 YMgHx 相具有热力学与动力学稳定性？
• RQ2 氢含量（x）如何影响 Y-Mg-H 化合物的稳定性和超导性能？
• RQ3 类笼状氢笼结构在增强电子-声子耦合与 Tc 中发挥何种作用？
• RQ4 尽管不在凸包上，亚稳态相如 Fd̄3m-YMgH12 是否仍可表现出高 Tc？
• RQ5 最具前景的超导相的预测 Tc 是多少？其内在机制是什么？

主要发现

• P4/mmm-YMgH8 与 Cmmm-YMgH12 相在热力学上仅在超过 250 GPa 压力下稳定，其中 P4/mmm-YMgH8 需要 300 GPa 才能实现动力学稳定。
• 识别出一种亚稳态 Fd̄3m-YMgH12 相，在 200 GPa 下具有高达 190.01 K 的 Tc 与强电子-声子耦合常数（λ = 2.1777）。
• Fd̄3m-YMgH12 结构具有类似方钠石的面心立方排列，24 个 H 原子形成笼状结构，有助于增强电子-声子耦合。
• 类笼结构（P4/mmm-YMgH6、P4/mmm-YMgH8、Cmmm-YMgH12、Fd̄3m-YMgH12）表现出密集的氢衍生声子态密度与高氢贡献的电子态密度在费米能级附近。
• Fd̄3m-YMgH12 中的电子-声子耦合显著强于其他相，λ = 2.1777 与 ωlog = 1249.6 K 共同导致在 200 GPa 下 Tc 达 190.01 K。
• 富氢相需要更高压力以维持稳定，而贫氢相如 I41/amd-YMgH2 在较低压力（100 GPa）下即稳定，表明氢含量与压力需求之间存在权衡。