钠和氢：一种纸面上的超导体

超导体在临界温度Tc以下能够完全无电阻地输送电流。对于富氢材料，纪录数字相当惊人：H₃S和LaH₁₀在200开尔文以上就能超导。但它们只有在被压缩到大约一百万巴（megabar）——约一百万倍大气压——时才能做到。挑战在于在更低的压力下获得同样的性能。

氢之所以有帮助，是因为它很轻：它的原子以极高的频率振动，而这些振动可以把电子结合成携带超导电流的电子对。在许多性能最好的氢化物中，氢不再形成H₂分子。而氢保持成对的化合物长期以来被认为是糟糕的候选者，因为每一对内部的强化学键会把电子拉出“局外”。

通过搜索找到的化合物

田纳西大学的Tianran Chen和美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心的塔内尔·耶尔德勒姆（Taner Yildirim）此前在对超过100,000种富氢结构进行的计算机搜索中，已经注意到了六氢化钠NaH6。另一项独立研究也曾预测它具有很高的Tc。在这里，他们对它进行了深入研究——完全通过计算：

• 用一种进化算法寻找每个压力下最有利的晶体排列；
• 用量子力学计算电子、原子振动及其耦合，再通过一个标准公式得出Tc；
• 在300开尔文下进行分子动力学模拟，检验原子抖动时结构是否能保持完整。

没有合成或测量任何样品。

两种晶体，两种表现

计算揭示出一幅拥挤的图景：在50吉帕下，有15种不同的结构是稳定的，其中大多数是两种主要结构的近亲。在这两种结构中，氢都以略微拉长的氢对形式存在。

• 立方结构预计在50吉帕下超导温度可达230开尔文——在半个百万巴的压力下约为零下43摄氏度——在200吉帕下仍有215开尔文。
• 菱方结构在低至10吉帕时仍保持稳定，此时预测Tc为34开尔文。对它加压，Tc会迅速攀升：50吉帕下达到99开尔文，90吉帕下达到157开尔文，约每吉帕升高1.6开尔文。

作者明确指出了一个问题。在50吉帕下，230开尔文的立方结构并不是最稳定的排列：它的能量略高于分解为更简单的氢化钠和氢所需的能量。只有在60吉帕以上，它才能抵抗这种分解而保持稳定，而两种结构在约114吉帕处交换位置。在300开尔文的分子动力学模拟中，立方结构保持完整——不过只持续了几万亿分之一秒。

有帮助的成对氢

最不寻常的发现是机制。氢对并不会阻碍超导。每一种与电子强耦合的振动，都会出现在拉曼光谱中——这是一种常见的实验室技术；其他振动几乎不发生耦合。作者检查了200吉帕下的另外102种氢化物，发现了同样的规律：拉曼活性振动的耦合强度平均比其他振动高约40倍。

在菱方结构中，压力会让氢对倾斜，从10吉帕时的4度增加到90吉帕时的21度。随着倾斜，关键振动的耦合变得更强——与Tc的上升同步，而电子结构几乎没有变化。一个简单的几何模型能够拟合这一趋势，不过作者强调，这只是一种解释，而非证明。

从屏幕走向实验室

这些都是预测。计算出的温度取决于一个标准但可调的参数，而50吉帕仍相当于约五十万个大气压。如果得到证实，NaH6将表明，氢对的取向是设计氢化物超导体的一个新“旋钮”。接下来要看实验物理学家的了。