Data scientific structure search for ternary hydride high-temperature superconductors

三元氢化物高温超导体的数据科学结构搜索

• 批准号: 22KJ1481
• 负责人: SONG PENG
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1481/
• 关键词: 遺伝的アルゴリズム; エンタルピー; 水素化物超伝導体; 結晶構造; 安定相

高いフォノン振動数は、超伝導転移温度の向上に有利である。フォノン振動数はイオン質量の逆数にスケールするので、究極的軽元素たる水素が有利となる。この見立てを背景に、高圧印加で金属化させた圧力誘起の水素化物超伝導体が模索されている。先行研究では、元素種の組合せに関する場合の数が少なく探索範囲の狭い二元化合物にのみ展開されてきた。三元化合物にまで探索を拡げれば、高い転移温度を手にするチャンスは更に増し、実際、そうした物質も発見的に二、三見つかってはいるが、戦略的探索を画策すれば、場合の数は膨大で尻込みを招き、殆ど手がつけられていない。そこで本研究では、機械学習を駆使して、二元探索の範囲を超え、三元水素化物超伝導体でより高い転移温度を実現する超伝導体を見つけ出す試みを展開している。自身の結晶化学的な素養を活かし、固溶の熱力学的安定性、格子の動的安定性の両面が担保された新たな超伝導体を探索している。組成の候補を絞り込めば、それぞれの組成に対して遺伝的アルゴリズムによる結晶構造候補を生成し、圧力依存のエンタルピー値を評価して、比較することで、熱力学的に安定な結晶構造を決定することが可能である。ネックとなる組成候補の絞り込みに対して、三元相図上での安定相出現パターンについて一定の知見を見出しつつあり、これに基づいて物質探索を進めている。研究開始時までに［La／Y系］、［Y／Mg系］の三元水素化物超伝導体の発見に至っていたが、当該研究期間中には更に物質探索を進め、［Mg／Sc系］、［Y／Ce系］、［La／Ce系］について新規の超伝導体を発見した。3種の元素を組み合わせた超伝導体予測は、組み合わせが大量で難しい問題であるが、世界中で精力的に超伝導体探索の競争が繰り広げられる中、データ科学の手法をスパコンシミュレーションと組み合わせて次々と新しい組み合わせの発見が続く快挙となっている。

高声子频率有利于提高超导转变温度。氢是最终的轻元素，它的优势在于声子频率与离子质量的倒数成正比。基于这个观点，人们正在探索通过施加高压来金属化的压力诱导氢化物超导体。以往的研究仅集中于二元化合物，涉及元素种类组合的案例数量较少，搜索范围也较窄。如果我们将搜索范围扩大到包括三元化合物，获得高转变温度的机会将进一步增加。事实上，已经通过启发法发现了一些这样的物质，但如果我们计划战略搜索，我们将能够数量令人望而生畏，而且基本上没有受到影响。因此，在这项研究中，我们正在利用机器学习来超越二分搜索的范围，尝试找到一种实现更高转变温度的三元氢化物超导体。利用他的晶体化学知识，他正在寻找既具有固溶体的热力学稳定性又具有晶格的动态稳定性的新型超导体。一旦缩小了候选成分的范围，就可以使用遗传算法生成每种成分的候选晶体结构，并且通过评估和比较压力相关的焓值，可以确定热力学稳定的晶体结构。为了缩小候选组成这一瓶颈，我们开始发现有关三元相图上稳定相的出现模式的某些知识，并在此基础上继续寻找材料。研究开始时，已发现了[La/Y系]和[Y/Mg系]的三元氢化物超导体，但在研究期间，材料探索进一步进展，[Mg/Sc系]]、[发现了新的超导体Y/Ce系]和[La/Ce系]。由于组合数量众多，预测结合三种元素的超导体是一个难题，但随着寻找超导体的竞争在世界各地蓬勃开展，与超级计算机模拟相结合的数据科学方法正在发展，这是一项了不起的壮举。新的组合不断被发现。

项目成果

中科院福建物質結構研究所(中国)

中国科学院福井材料与结构研究所（中国）

First-principles calculations of pressure dependence of superconductivity in Lanthanum-Thorium hydride

氢化镧钍超导性压力依赖性的第一性原理计算

• 发表时间: 2023
• 作者: P. Song; K. Hongo;R. Maezono
• 通讯作者: R. Maezono

High-Pressure Mg-Sc-H Phase Diagram and Its Superconductivity from First-Principles Calculations

第一性原理计算的高压 Mg-Sc-H 相图及其超导性

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c08743
• 发表时间: 2022
• 作者: Song Peng;Hou Zhufeng;Baptista de Castro Pedro;Nakano Kousuke;Hongo Kenta;Takano Yoshihiko;Maezono Ryo
• 通讯作者: Maezono Ryo

High-Tc superconducting hydrides formed by LaH24 and YH24 cage structures as basic blocks

以LaH24和YH24笼形结构为基本块体形成的高温超导氢化物

• 发表时间: 2022
• 作者: P. Song; Z. Hou; P. B. de Castro; K. Nakano; K. Hongo; Y. Takano;R. Maezono
• 通讯作者: R. Maezono

The Systematic Study on the Stability and Superconductivity of Y‐Mg‐H Compounds under High Pressure

Y-Mg-H化合物高压稳定性和超导性的系统研究

• DOI: 10.1002/adts.202100364
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 3.3
• 作者: Song Peng;Hou Zhufeng;de Castro Pedro Baptista;Nakano Kousuke;Takano Yoshihiko;Maezono Ryo;Hongo Kenta
• 通讯作者: Hongo Kenta