Stabilizing a hydrogen-rich superconductor at 1 GPa by charge transfer modulated virtual high-pressure effect

超导电性 氢化物 环境压力 金属氢 各向异性 电荷(物理) 碱金属 结晶学 离子 凝聚态物理 金属 相变 化学物理 物理 热力学 化学 有机化学 量子力学
作者
Miao Gao,Peng‐Jie Guo,Huan-Cheng Yang,Xun-Wang Yan,Fengjie Ma,Zhong-Yi Lu,Tao Xiang,Hai-Qing Lin
出处
期刊:Physical review 卷期号:107 (18) 被引量:11
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.l180501
摘要

Applying pressure around megabar is indispensable in the synthesis of high-temperature superconducting hydrides, such as SH$_3$ and LaH$_{10}$. Stabilizing the high-pressure phase of hydride around ambient condition is a severe challenge. Based on the density-functional theory calculations, we give the first example that the structure of hydride CaBH$_5$ predicted above 280 GPa, can maintain its dynamical stability with pressure down to 1 GPa, by modulating the charge transfer from metal atoms to hydrogen atoms via the replacement of Ca with alkali metal atoms e.g. Cs, in which the [BH$_5$]$^{2-}$ anion shrinks along $c$ axis and expands in the $ab$ plane, experiencing an anisotropic virtual high pressure. This mechanism, namely charge transfer modulated virtual high pressure effect, plays a vital role in enhancing the structural stability and leading to the reemergence of ambient-pressure-forbidden [BH$_5$]$^{2-}$ anion around 1 GPa in CsBH$_5$. Moreover, we find that CsBH$_5$ is a strongly coupled superconductor, with transition temperature as high as 98 K, well above the liquid-nitrogen temperature. Our findings provide a novel mechanism to reduce the critical pressure required by hydrogen-rich compound without changing its crystal structure, and also shed light on searching ambient-pressure high-temperature superconductivity in metal borohydrides.
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