在探索新材料的宏大征程中，超導(dǎo)體一直是科學(xué)家們夢寐以求的"圣杯"。想象一下，如果電線可以完全沒有阻力地傳輸電流，我們的世界會(huì)變成什么樣？這不僅意味著更高效的電力傳輸，還意味著磁共振成像(MRI)設(shè)備變得更小更便宜，甚至核聚變裝置也能因此取得突破。這一切的關(guān)鍵就在于找到能在較高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。

2025年6月，中國人民大學(xué)物理學(xué)院和量子態(tài)構(gòu)建與操控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的韓小琦、高澤鋒、王新德等研究人員在arXiv預(yù)印本平臺(tái)發(fā)表了一篇題為《HTSC-2025: A Benchmark Dataset of Ambient-Pressure High-Temperature Superconductors for AI-Driven Critical Temperature Prediction》的研究論文。這篇論文介紹了一個(gè)專門用于評(píng)估人工智能預(yù)測超導(dǎo)體臨界溫度(Tc)能力的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，對(duì)于推動(dòng)高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。

超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)吸引了超過6萬篇學(xué)術(shù)論文的研究關(guān)注。這些材料在失去電阻的同時(shí)，能夠應(yīng)用于多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：從節(jié)能的電力傳輸，到醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，再到核聚變裝置。然而，大多數(shù)超導(dǎo)體只有在接近絕對(duì)零度的極低溫度下才能工作，這使得它們的實(shí)際應(yīng)用受到極大限制。因此，尋找在更高溫度下（理想情況下是室溫）能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)的材料，成為這一領(lǐng)域的"圣杯"。

近年來，人工智能在材料科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出驚人的潛力。多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了各種AI模型來預(yù)測材料的超導(dǎo)臨界溫度，聲稱能夠達(dá)到令人印象深刻的準(zhǔn)確度。例如，ALIGNN模型聲稱在預(yù)測中平均誤差低于2K，BETE-NET模型將誤差降低到2.1K，而InvDesFlow-AL則宣稱對(duì)傳統(tǒng)BCS超導(dǎo)體的預(yù)測誤差同樣低于2K。然而，這些模型的比較面臨一個(gè)關(guān)鍵問題：缺乏一個(gè)統(tǒng)一的、被廣泛接受的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。

想象一下，如果我們要比較不同品牌的汽車性能，但每個(gè)品牌都在不同的道路上測試，結(jié)果自然無法直接比較。同樣地，不同的AI模型如果在不同的數(shù)據(jù)集上測試，我們就無法判斷哪個(gè)模型真正更優(yōu)秀。這正是HTSC-2025基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集要解決的問題。

HTSC-2025數(shù)據(jù)集專注于常壓下的高溫超導(dǎo)材料，這些材料都是基于BCS超導(dǎo)理論，由理論物理學(xué)家在2023年至2025年間預(yù)測發(fā)現(xiàn)的。這些材料包括著名的X?YH?系統(tǒng)、鈣鈦礦型MXH?系統(tǒng)、M?XH?系統(tǒng)、從LaH??結(jié)構(gòu)演化而來的籠狀BCN摻雜金屬原子系統(tǒng)，以及從MgB?演化而來的二維蜂窩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。選擇這些系統(tǒng)的原因很簡單：它們?cè)诔合鹿ぷ鳎ú恍枰獦O端高壓環(huán)境），且基于成熟的BCS理論，這意味著AI模型的預(yù)測結(jié)果可以通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算相對(duì)快速地驗(yàn)證。

如何構(gòu)建這樣一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集？研究團(tuán)隊(duì)首先廣泛調(diào)研了理論預(yù)測的超導(dǎo)體文獻(xiàn)，篩選出了自2024年以來發(fā)現(xiàn)的、在常壓下表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)性的材料。隨后，他們通過專家手動(dòng)構(gòu)建、自動(dòng)腳本替換以及直接與原作者郵件聯(lián)系等多種方式，系統(tǒng)地收集了這些材料的晶體結(jié)構(gòu)信息（CIF文件）和對(duì)應(yīng)的理論預(yù)測超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。最終，他們將這些材料分類為不同的晶體系統(tǒng)，建立了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的框架，為后續(xù)AI性能評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

這個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的價(jià)值在于它能提供一個(gè)公平的"賽道"，讓各種AI模型在相同的數(shù)據(jù)上進(jìn)行比較。使用HTSC-2025評(píng)估AI模型時(shí)，首先要確保訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中嚴(yán)格排除這些材料，以防止數(shù)據(jù)泄露。然后，AI模型將晶體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖表示或其他結(jié)構(gòu)化格式作為輸入，隨后預(yù)測材料的超導(dǎo)Tc。通過計(jì)算模型預(yù)測與DFT計(jì)算結(jié)果之間的平均絕對(duì)誤差(MAE)，我們可以量化不同模型的預(yù)測性能。

更重要的是，HTSC-2025不僅僅是一個(gè)靜態(tài)的數(shù)據(jù)集，它還提供了一個(gè)驗(yàn)證框架。對(duì)于AI推薦的候選超導(dǎo)體，研究人員可以通過第一性原理方法進(jìn)行驗(yàn)證，包括晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、聲子譜分析和電子-聲子耦合計(jì)算。這就像是給每個(gè)模型預(yù)測的"答案"提供了一個(gè)嚴(yán)格的"閱卷標(biāo)準(zhǔn)"。

讓我們深入了解一下HTSC-2025數(shù)據(jù)集的內(nèi)容。該數(shù)據(jù)集共包含140個(gè)樣本，平均Tc為27.3K。超過一半的晶體表現(xiàn)出超過20K的Tc，突顯了該數(shù)據(jù)集在評(píng)估相對(duì)高Tc值材料方面的重點(diǎn)。從元素分布來看，氫是最常見的元素，出現(xiàn)在79個(gè)化合物中，這強(qiáng)調(diào)了氫化物在實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)性方面的顯著潛力。

在這些材料系統(tǒng)中，X?YH?系統(tǒng)展現(xiàn)出最高的平均Tc（55.4K），其中Mg?IrH?的Tc高達(dá)160K。這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)研究人員對(duì)X?YH?系統(tǒng)進(jìn)行了更詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)了許多超導(dǎo)Tc超過20K甚至達(dá)到70K的系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)機(jī)制看起來相似：它們的電子結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級(jí)附近表現(xiàn)出范霍夫奇點(diǎn)，這可能有助于提高Tc。此外，氫的1s軌道對(duì)電子態(tài)密度的顯著貢獻(xiàn)使得費(fèi)米能級(jí)附近的電子與高頻聲子模式之間能夠形成強(qiáng)耦合，從而增強(qiáng)了整體電子-聲子耦合強(qiáng)度。

受X?YH?化合物研究的啟發(fā)，熒石型M?XH?化合物（其中M可以是Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Ga、Rb、Sr和In，X代表3d、4d或5d過渡金屬）也引起了相當(dāng)大的關(guān)注。其中，Mg?OsH?的超導(dǎo)臨界溫度高達(dá)73K。它的能帶結(jié)構(gòu)顯示有三個(gè)能帶穿過費(fèi)米能級(jí)，表明其金屬特性。氫的電子態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近均勻分布，有助于電子-聲子耦合。此外，高頻聲子區(qū)域中氫原子對(duì)聲子態(tài)密度的顯著貢獻(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)了這種耦合。

鈣鈦礦型MXH?系統(tǒng)也展現(xiàn)出令人印象深刻的超導(dǎo)性能。通過高通量計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)了SrAuH?（Tc = 132K）和SrZnH?（Tc = 107K）等材料，它們表現(xiàn)出異常高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，凸顯了這類材料在實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)性方面的巨大潛力。多個(gè)電子能帶穿過費(fèi)米能級(jí)，Au的5d軌道在費(fèi)米能級(jí)附近做出顯著貢獻(xiàn)，形成了明顯的范霍夫奇點(diǎn)，可能增強(qiáng)了費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度，從而促進(jìn)超導(dǎo)性。

籠狀氫化物如CaH?、YH?、CeH??和LaH??需要高壓條件才能保持動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，這限制了它們的合成和實(shí)際應(yīng)用。然而，這些材料中觀察到的常規(guī)超導(dǎo)機(jī)制啟發(fā)物理學(xué)家探索在BCS型材料中實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的可能性?？紤]到B和C是能夠形成強(qiáng)共價(jià)鍵的最輕元素，以及客體金屬原子的成分多樣性，研究人員在用這些元素替代籠狀氫化物結(jié)構(gòu)中的氫方面取得了重大進(jìn)展。

例如，六方籠狀結(jié)構(gòu)的XB?C化合物（X = Ca、Sr、Ba）表現(xiàn)出超導(dǎo)性，Tc分別為77.1K、64.4K和53.2K。第一性原理計(jì)算顯示，這些材料具有金屬基態(tài)，特征是多個(gè)能帶穿過費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)附近平坦和彌散能帶的共存導(dǎo)致增強(qiáng)的電子-聲子耦合強(qiáng)度，為觀察到的較高Tc值提供了機(jī)制。聲子譜計(jì)算表明，電子-聲子耦合主要集中在高頻光學(xué)模式中。

通過在硼-氮籠中摻雜金屬，研究人員獲得了四種穩(wěn)定的超導(dǎo)體M(BN)?（M = Na、Al、In、Tl），相應(yīng)的Tc為8K、22K、15K和15K。其中，Al(BN)?的電子能帶結(jié)構(gòu)顯示多個(gè)能帶穿過費(fèi)米能級(jí)，產(chǎn)生電子型和空穴型費(fèi)米面。費(fèi)米面處的電子態(tài)主要來源于B和N原子的p軌道，以及Al原子的p軌道，這有利于庫珀對(duì)形成，增強(qiáng)電子-聲子耦合。

除了上述材料系統(tǒng)外，研究人員還觀察到基于物理直覺的高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)策略的進(jìn)展，如空穴摻雜、引入輕元素形成強(qiáng)共價(jià)鍵以及調(diào)節(jié)自旋-軌道耦合。例如，(BN)?在本征狀態(tài)下表現(xiàn)為絕緣體，但空穴摻雜導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)，使sp?雜化的σ-鍵帶金屬化。這種電子轉(zhuǎn)變伴隨著高溫超導(dǎo)性的出現(xiàn)，Tc達(dá)到96K。隨著空穴濃度的增加，盡管整體電子結(jié)構(gòu)基本保持不變，但中頻光學(xué)聲子模式與σ-電子之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，顯著貢獻(xiàn)于總電子-聲子耦合。

在常壓下，MgB?C?和空穴摻雜的NaBC表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)潛力?？昭舛瓤梢酝ㄟ^熱脫嵌入方法調(diào)節(jié)。例如，NaBC中的低溫鈉脫嵌入有效抑制了BC層中缺陷的形成，保持了強(qiáng)電子-聲子耦合。這些空穴摻雜材料表現(xiàn)出強(qiáng)電子-聲子耦合強(qiáng)度（λ~0.95-1.32）和類似MgB?的特征雙能隙超導(dǎo)行為，Tc值范圍從43K到88K，其中最高值觀察到于Na?/?BC。

基于MgB?的AlB?型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的二維蜂窩結(jié)構(gòu)KB?C?（Tc = 153K）通過引入碳原子形成強(qiáng)共價(jià)B-C σ鍵，實(shí)現(xiàn)了電子與高頻面內(nèi)聲子振動(dòng)之間的強(qiáng)耦合。其多能隙性質(zhì)（σ和π態(tài)的共存）進(jìn)一步促進(jìn)了庫珀對(duì)形成。雙軸拉伸應(yīng)變誘導(dǎo)聲子模式軟化，顯著增強(qiáng)了電子-聲子耦合常數(shù)λ，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)二維超導(dǎo)體。類似地，通過用B-C層替代MgB?的B-B表面層，二維材料Mg?B?C?表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)性，預(yù)測Tc估計(jì)在47-48K左右。

HTSC-2025基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集已在GitHub上開源（https://github.com/xqh19970407/HTSC-2025），并將持續(xù)更新。這一基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集對(duì)于加速使用基于AI的方法發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料具有重要意義。它不僅提供了一個(gè)可重現(xiàn)和量化的基礎(chǔ)來進(jìn)行跨模型評(píng)估，還提供了物理上可解釋的模板，以支持新型高溫超導(dǎo)體的反向設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)。

隨著科學(xué)理解的進(jìn)步，研究團(tuán)隊(duì)希望未來能夠?qū)TSC-2025擴(kuò)展到非常規(guī)超導(dǎo)體領(lǐng)域。他們將繼續(xù)擴(kuò)展和更新該基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，開發(fā)相關(guān)的AI算法，并在該基準(zhǔn)上進(jìn)行廣泛評(píng)估，以促進(jìn)高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。此外，他們還將探索基于物理直覺的方法，發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)材料。

這項(xiàng)研究得到了中國國家自然科學(xué)基金（編號(hào)62476278、12434009和12204533）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)2024YFA1408601）以及量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃（編號(hào)2021ZD0302402）的資助。計(jì)算資源由中國人民大學(xué)高性能計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室提供。