有机材料一直被认为是最有可能实现室温超导的材料之一,近年来先后在稠环和联苯的芳香材料中发现了超过30K和120K的高温超导电性,这预示着在有机化合物中实现室温超导的可能性大大增加,国内外研究人员迅速开展了大量的实验和理论研究。但是,随着研究的深入,人们发现这类超导体的机理和最本质的特征仍是不知道的,比如:芳香体系的基本单元是苯环,电子掺杂下单个苯环体系是否具有超导电性?另外,在多苯环体系中还发现了多种温度的超导相共存现象,以及随着苯环数的增加体系中最高超导项目温度也会剧增,那么这些现象产生的机理或者机制什么?
为解决上述问题,钟国华与其合作者通过第一性原理的理论方法研究了钾掺杂苯的晶体结构、热力学稳定性和电声子特征,指出芳香体系的基本单元——苯也具有超导电性;研究人员通过钾掺杂不同芳香体系,进一步发现所研究的芳香化合物中都存在一个普适的低温超导相(超导温度在5-7K范围),这与苯的超导电性恰好吻合,且四苯环以下体系只含有这个低温超导相,而在五环以上的多苯环体系中却可以存在多个超导相共存的现象。研究人员通过稳定性、电声子特征和电子交换关联效应等数据结果指出低温超导相来自于2电子掺杂引起的电声调制,而高温超导相由3电子掺杂引起的强电-声相互作用和电子-电子关联效应共同驱动。研究人员进一步发现低温超导相是该芳香有机材料的本征相,并在联苯类体系中也被证实,相对于高温超导相,低温超导相更易于在实验中制备。相关研究结果系统地揭示了芳香有机超导体的规律和本质,对于探索新型高温超导体具有重要的指导意义。