硫化氢中的量子氢键对称化与高温超导

氢化物是特殊的，因为质子的量子性质会极大地影响其结构和物理性质。一个显著的例子是 H$_2$O 的高压相，其中量子质子涨落有利于 H 键的对称化，并将非对称结构与对称结构之间的边界降低了 30 GPa。在此我们展示，在最近发现的硫氢化物超导体中发生了类似的量子对称化，该超导体在 155 GPa 下具有创纪录的超导临界温度 $T_c=203$ K。在该系统中，根据经典理论，超导性通过形成化学计量比为 H$_3$S 的结构发生，其中 S 原子排列在体心立方（bcc）晶格上。对于 $P \gtrsim 175$ GPa，预测 H 原子位于两个 S 原子中间，结构具有 $Im\bar3m$ 对称性。在较低压力下，H 原子移动到偏离中心的位置，形成短的 H$-$S 共价键和较长的 H$\cdots$S 氢键，结构具有 $R3m$ 对称性。X 射线衍射实验证实了 H$_3$S 的化学计量比和 S 晶格位置，但无法区分这两个相。我们目前的从头算密度泛函理论（DFT）计算表明，量子核运动将对称化压力降低了 72 GPa。因此，我们预测 $Im\bar3m$ 相在测得高 $T_c$ 的整个压力范围内都是稳定的。我们观察到的 $T_c$ 的压力依赖性在我们对 $Im\bar3m$ 相的计算中得到紧密重现，但对 $R3m$ 相则不然。因此，质子的量子性质完全决定了 H$_3$S 的超导相图。