近来，常压高温超导电性受到了研究人员的广泛关注，特别是在轻质元素体系中探索常压高温超导电性引起极大的研究兴趣。

2025年2月26日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所光子信息与能源材料研究中心钟国华团队与浙江大学林海青院士和美国休斯顿大学陈晓嘉教授合作，在Physical Review B上发表了题为“Ambient-pressure high-temperature superconductivity exceeding 100 K in three-dimensional carbon structures”的研究成果。该研究报道了团队设计的一种新型三维碳结构，并预测通过氢原子调控获得了常压下临界温度（T_c）超过100 K的高温超导电性。这是近年来团队报道在氢调控的立方氮化硼和金属调控的碳笼网格中存在超过100 K常压高温超导电性后取得的又一创新性研究成果。

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高温超导是近年来物理学界非常火爆的话题之一，常压高温超导的概念也逐渐被人们熟知。这里涉及到两个关键的参数，一个是常压，就是指我们所处的常规生活环境压力；一个是超导转变温度T_c。对于大规模应用，当然是在常压和近室温的条件下实现超导性能应用成本越低，但是目前还没有这样的材料被发现。退而求次，由于技术条件的进步，目前液氮沸点（77 K，记为T_N）这一低温环境的实现已经变得相对比较容易，因此探索常压下T_c高于T_N的高温超导材料变得非常有意义。

不同于铜基、铁基和镍基超导体等重元素主导的材料体系，本研究中作者基于粒子群优化算法搜索低焓晶体结构，设计得到了一种常压下稳定的新型三维碳结构体系，这是一个全部由轻质元素组成的体系。尽管垂直与晶轴c方向可以观察到石墨烯的结构特征，但是碳-碳原子之间却是形成sp³杂化的三维网格特征。氢原子以孤立原子的形式镶嵌在间隙位置。最终形成的晶体为具有P6₃/mcm空间群的三维碳结构，化学式为HC₆。

氢调控的三维碳结构P6₃/mcm-HC₆的晶体特征：不同方向观察晶体单胞（上）和超胞特征（下）

没有氢原子存在的时候，常压下，三维碳结构展现了宽带隙的绝缘体特征。在适当浓度的氢原子调控下，三维碳结构的P6₃/mcm-HC₆展现了金属化性质，两条碳氢杂化后的能带闯过费米能级，形成空穴、电子型费米面，展现了范霍夫奇异性，这在费米能级附近导致了大的电子态密度。氢对三维碳结构的绝缘体-金属转变发挥了至关重要的作用。

电子结构特征：纯碳结构的能带结构和电子态密度（上）、HC₆的特征能带结构和电子投影态密度（中）、HC₆的费米面特征

从声子谱中可以看到，氢的引入使低频声学模沿倒空间Γ-M-K-Γ方向产生明显的软化现象，电-声耦合也主要是由这一部分声子贡献。最终在氢调控下的三维碳网格结构中产生了较大的费米能级电子态密度值和强的电-声相互作用，从而导致了P6₃/mcm-HC₆在常压下展现出T_c = 107 K的高温超导现象。这种新型碳结构的超导性能明显优于传统碳结构（如金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管和足球烯）。

声子和超导参数：纯碳结构的声子谱和声子态密度（上）、HC₆的声子谱、声子态密度和电声耦合参数（下）

超导转变温度比较和类似的三维网格结构

该研究不仅预言了一种常压下的新型碳结构高温超导体，也指出了具有三维网格结构的碳基和类碳基体系是探索常压高温超导现象的一个重要研究方向。同时，碳材料被认为是未来的“芯”材料，已经在许多领域展现了其独特的性能优势。常压高温超导电性，尤其是超过液氮温度的常压高温超导电性的碳材料研究更是会助力其在能源、信息电子和医疗等领域的大规模应用。

钟国华研究员和林海青教授、陈晓嘉教授为本文的共同通讯作者，深圳先进技术研究院的李申奥为本文的第一作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省和深圳市基础研究项目的资助支持。