材研“1-0” | 王俊杰教授JACS：“电中性”电子化合物超导体的发现

发布时间：2026-09-01来源：材料微生活

文献链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.6c13689

背景介绍

电子化合物（Electrides）是一类独特的离子化合物，其中部分电子脱离原子核束缚，进入由阳离子构筑的晶格间隙，以“阴离子电子”形式存在。由于具有独特的电子结构，电子化合物展现出低功函数、高电子输运能力、优异催化活性以及新奇量子物性，已成为凝聚态物理与材料科学的重要前沿。

长期以来，电子化合物研究主要聚焦于富电子体系。对于传统电荷平衡、整体呈电中性的化合物，能否在外场作用下发生电子重构并转变为电子化合物，以及这种转变能否进一步产生超导等新奇量子态，始终缺乏明确答案。因此，能否从常压电中性化合物出发，通过压力诱导其转变为电子化合物，并在这一过程中实现超导，是电子化合物领域一个长期未解决的前沿科学问题。

针对这一挑战，西北工业大学王俊杰教授团队首次在电中性化合物中发现了压力诱导的电子化合物态，并进一步实验确证了其超导性，实现了“电中性化合物—电子化合物—超导”这一此前未被建立的材料演化路径。研究以具有典型电中性特征和空腔结构的三元Zintl化合物LiAlGe为模型体系，结合晶体结构预测、高压实验、同步辐射表征及高压电磁输运测试，系统揭示了其压力诱导电子重构及超导行为。

理论计算研究发现，常压下LiAlGe为F-43m结构的半导体非电子化合物；压力升高至约6.5 GPa后，体系发生电子重构，转变为金属态电子化合物；进一步加压至约13.7 GPa，则发生结构相变，形成Cmmm结构电子化合物。原位同步辐射X射线衍射实验进一步证实，F-43m→Cmmm相变发生于约14.3 GPa，与理论预测高度吻合。值得注意的是，Cmmm相在超过80 GPa的高压处理后仍可在卸压过程中保留，表明压力诱导的电子化合物结构具有显著的亚稳稳定性。

更为重要的是，团队进一步发现，LiAlGe在压力诱导电子化合物态的同时出现超导性。高压电输运测量显示，在约6.2 GPa下体系出现超导转变，临界温度（Tc）约为5.5 K；在9.2 GPa下，磁化率测量在约3.7 K处观测到清晰的迈斯纳效应，从而确证了体超导性的实现。由此，该研究首次将“电中性”电子化合物与超导性建立起直接实验联系，证明电子化合物并非仅存在于传统富电子材料中，其独特的电子结构同样能够在电中性体系中通过压力“激活”，并孕育新的量子物态。

在此基础上，团队结合高通量计算与机器学习进一步筛选出10种具有类似特征的潜在“电中性”电子化合物，并发现双阳离子电负性差异与原子半径比的协同作用是决定此类电子化合物形成的关键描述符，从而将这一发现由单一材料拓展为具有一定普适性的材料设计规律。

本研究的核心突破在于：首次证明“电中性”化合物可以通过压力诱导转变为电子化合物，并在这一新型电子化合物体系中实现超导性。这一发现突破了电子化合物长期以来以富电子体系为主的材料边界，建立了“电中性→电子重构→电子化合物→超导”的新材料演化范式，为探索电子局域/离域、化学成键与超导之间的内在关联提供了全新研究平台，也为理性设计新型电子化合物及超导材料开辟了新的方向。

研究成果以题为《Discovery of Electron-Neutral Electrides with Pressure-Induced Superconductivity》的论文发表于化学、材料领域国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》。西北工业大学博士研究生于佳浩与上海科技大学裴翠颖副研究员为论文共同第一作者，西北工业大学王俊杰教授为论文主通讯作者，上海科技大学齐彦鹏教授为共同通讯作者。合作者还包括日本东京科学大学Hideo Hosono教授、俄罗斯萨马拉国立技术大学Vladislav A. Blatov教授。

图文导读

图1. USPEX进化搜索发现LiAlGe的高压Cmmm相

图2. 拓扑分析与过渡态计算揭示LiAlGe相变路径及剪切应变机制

图3. LiAlGe的合成、表征与高压诱导LiAlGe发生半导体→金属性电子化合物转变及其超导性的产生

图4. 高通量计算筛选Cmmm-XYZ电中性电子化合物材料

图5. 机器学习模型高效预测新型Cmmm-XYZ电中性电子化合物并揭示关键描述符

图6. LiAlGe的高压电输运性能、抗磁性与原位同步辐射X射线衍射测试结果

通讯作者简介

王俊杰

西北工业大学材料学院教授，博士生导师，西安市能源催化材料智能设计重点实验室主任，兼任Materials and Solidification期刊执行主编、Journal of Advanced Ceramics（影响因子：16.9；中科院一区）编委等。入选国家级青年人才计划，主要从事材料基因工程理论发展和应用领域研究，特别在发展新型催化、光电材料方面取得一系列创新研究成果。曾主持日本学术振兴会海外研究员项目，并作为骨干成员参与法国国家科研署（ANR）和日本科学技术振兴机构（JST）的重点研究项目。现主持国家级青年人才项目、科技部重点研发计划（2项）、国家自然科学基金面上项目（3项）等项目10余项。已在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemistry of Materials等国际知名期刊发表SCI论文100余篇，研究成果被德国、英国和日本学术界及媒体广泛报道。第一完成人获2024年陕西省自然科学二等奖和陕西省高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。