近十年来，以多氢化镧为代表的一系列超导转变温度达到200-250 K的高压相笼型氢化物的发现为室温超导这个世纪难题的解决提供了一个新方向。当下，高压相笼型氢化物的设计、合成与调控已经成为凝聚态物理领域中一个炙手可热的前沿课题。

        物质结构是理解材料奇异物性的基础。高温超导笼型氢化物的稳定压强大多为百万大气压，超过了当前实验技术可以直接表征氢化物中氢原子位置的压力极限。因此，确定高温超导笼型氢化物的结构成为了一个棘手的科学难题。

       高压相多氢化镧于2019年创造了250 K高温超导记录，该成果已获得同行广泛认可。实验确定的镧子晶格结构、超导转变温度Tc及其压强依赖关系dTc/dp信息为多氢化镧结构探索提供了必要的约束条件，这使多氢化镧成为研究高温超导笼型氢化物结构问题的一个理想切入点。迄今为止，相关探索获得的最优答案是fcc-LaH₁₀量子晶体结构 [Nature 2020, 578: 66-69]，它满足XRD的约束，并且理论Tc接近实验测量值。然而，该结构模型在压强高于129 GPa（注：1 GPa=1万大气压强）时具有单调的-dTc/dp，这与dTc/dp在150 GPa发生正负反转（+dTc/dp ↔ -dTc/dp）的实验测量结果相矛盾，表明fcc-LaH₁₀量子晶体结构并非最终答案。

        本工作通过回溯250 K超导多氢化镧实验测量化学计量为LaH_9.6这一事实 [Nature，2019, 569:528-531]，构建了fcc-LaH_9.63缺陷结构，系统地研究了氢空位对结构和超导性的影响。研究发现，在60-240 K温度条件下，缺陷与核量子效应相互作用引起显著的质子扩散，表明量子质子扩散和氢诱导的超导电性在多氢化镧中共存。引人注目的是，对于fcc-LaH_9.63量子扩散结构而言，相同压力变化所引发的氢与镧子晶格畸变程度并不相同，越接近多氢化镧低压稳定极限（即137 GPa）二者差异越大。这种降压引起的氢子晶格畸变过早熟的奇异现象直接导致了fcc-LaH_9.63量子扩散结构中电子能态密度对压强变化的非单调响应。此外，基于近似的理论计算表明量子扩散结构的dTc/dp在~165 GPa发生正负反转，与实验结果基本相符。由此，本工作为250 K超导多氢化镧提供了一个不同于以往报道的任何经典或量子晶体结构模型、且满足更多已知约束条件的全新的量子扩散结构模型。

图一：八面体氢空位（a）与四面体氢空位（b）在氢笼中引起的量子质子扩散，模拟温度为100 K。

图二：fcc-LaH_9.63量子扩散结构中降压诱导氢晶格畸变过早熟所引起的电子能态密度（a）与超导Tc（b）对压强变化的非单调响应。

       本研究表明，以往理论研究中通常被忽略不计的化学计量比缺陷是全面理解高压相笼型氢化物结构与物性的必要因素之一，为解决其它高压相笼型氢化物的结构难题提供了一个全新的研究思路。

       本成果于3月25日发表于Nature Commun.，哈尔滨师范大学是第一完成单位，吉林大学计算方法与软件国际中心是第二完成单位与通讯作者单位。国内合作单位为洛阳师范学院，国际合作单位包括英国剑桥大学、西班牙巴斯克大学、美国罗格斯大学、加拿大萨斯喀彻温大学等单位。

       本研究得到了自然科学基金委面上项目的支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37295-1