突破！发现 Na6C 在中等压力下展现超导与超离子行为

研究人员预测 Na6C 在中等压力下的 3D 电子态，发现其有超导、超离子行为，为相关研究提供理论指导。

　　在神奇的材料世界里，电子化合物（Electrides）宛如一颗璀璨的新星，吸引着众多科研人员的目光。电子化合物是一类特殊的化合物，其中电子占据晶体结构的间隙空间，形成间隙电子态，就像一个个 “自由小卫士” 在晶格中穿梭。这些电子具有独特的性质，使得电子化合物在催化、电子发射、有机发光二极管等领域展现出巨大的应用潜力。而且，电子化合物的超导性（Superconductivity）和超离子态（Superionic state）现象，更是为研究物质的复杂物理性质打开了一扇新的大门。

然而，目前电子化合物的研究之路并非一帆风顺。由于具有三维（3D）电子态的电子化合物非常稀缺，导致与之相关的超导性、超离子态等性质仍然神秘莫测。科学家们迫切地想要揭开这些谜团，深入了解不同维度电子态对物质物理性质的影响，以及背后粒子相互作用的奥秘。在这样的背景下，宁波大学高压物理研究所的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《iScience》杂志上。

为了攻克这些难题，研究人员采用了多种先进的技术方法。首先，他们运用基于群体智能的 CALYPSO 方法和进化算法 USPEX，对 Na₆C 在 0 - 60 GPa 压力范围内的晶体结构进行预测。接着，利用维也纳从头算模拟包（Vienna ab initio Simulation Package）进行结构优化、电子定位函数（ELF）分析、能带结构计算和分子动力学模拟等。此外，还通过 DS - PAW 软件进一步优化结构，运用 LOBSTER 软件包分析原子间相互作用，使用 PHONOPY 代码计算声子色散函数，借助 QUANTUM ESPRESSO 软件包计算电子 - 声子耦合（EPC）性质等。

研究结果主要从以下几个方面展开：

• 晶体结构：研究发现了 C2/m - Na₆C 相，该相在 30 GPa 中等压力下具有特殊的 3D 电子态，且在环境条件下仍保持动态稳定。通过计算生成焓，发现 C2/m - Na₆C 结构虽为亚稳相，但合成潜力较大。ELF 分析表明 Na₆C 属于 3D 电子化合物，其间隙电子在 3D 间隙空间相互连接，差分电荷密度分析进一步揭示了其 3D 电子态的形成机制。
• 动态稳定性：计算得到的声子色散显示，在 30 GPa 时，C2/m - Na₆C 相在整个布里渊区没有虚频，证明其具有动态稳定性，在环境条件下同样如此。研究还发现，电子态与 Na 阳离子之间的离子键和共价键协同作用，是 C2/m - Na₆C 相结构动态稳定的主要原因。
• 电子结构和超导性：计算 30 GPa 下的电子能带结构发现，Na₆C 具有金属性，这主要源于 3D 电子态的贡献。通过 EPC 计算和麦克米兰公式（McMillan formula）得出，该相在 30 GPa 时的超导转变温度（T_c）约为 0.051 K。研究还发现，3D 电子态对超导性贡献不大，超导性主要源于 Na/C 的 sp 杂化电子被 Na/C 产生的低频声子散射。随着压力增加，T_c有所提高，这主要与 EPC 参数 λ 和对数平均声子频率 ω_log的变化有关。
• 功函数：由于 Na₆C 在费米能级（E_F）附近存在丰富的 3D 电子态，研究人员对其功函数（Φ_WF）进行模拟。结果显示，Na₆C 的功函数较低，在（010）平面的模拟值为 2.82 eV，表明其作为催化材料具有巨大潜力。
• 超离子行为：通过在 30 GPa 和不同温度下进行 AIMD 模拟，研究人员发现，在 1200 K 时，C2/m - Na₆C 表现出超离子态，重钠原子扩散，而轻碳原子在晶格平衡位置振荡。这种异常行为可归因于 3D 电子态形成过程的二元性及其多中心键合效应。

研究结论表明，研究人员成功预测了 Na₆C 在中等压力范围内的 3D 电子态，并展示了其潜在的合成途径。C2/m - Na₆C 在中等压力下具有电子态、超导性和超离子行为等多种性质。电子态与阳离子之间的离子键和共价键协同作用，对结构的动态稳定性有重要影响。此外，研究还揭示了其超导性和超离子行为的机制，以及在催化领域的潜在应用价值。这项研究不仅加深了人们对中等压力下由 3D 电子态组成的超导和超离子行为的理解，还为未来该领域的理论和实验研究提供了重要的指导，推动了电子化合物领域的进一步发展。