可解释描述符助力中等压力下氢基超导体预测：常压下新超导体突破42 K


前言

本研究由广东工业大学物理与光电工程学院董华锋、章伟团队完成，第一作者为研究生陈嘉维和彭俊豪博士。团队通过符号回归方法构建的高精度 Tc 预测模型，成功预测氢基超导体在常压下超导转变温度超越 MgB2（42.04 K），为高温超导机理研究提供了新平台。( Materials Today Physics, IF 9.7, DOI：10.1016/j.mtphys.2026.102073)


研究概要

氢基化合物是实现室温超导的重要候选体系，但此前大多数高温氢基超导体仅在百万大气压（Mbar）级别稳定，严重阻碍了实际应用。如何快速筛选出可在中等甚至常压下保持高临界温度（ Tc）的氢基超导体，是当前计算材料学的关键挑战。

本研究基于符号回归方法，构建了一个可解释、高精度的 Tc 预测模型。核心创新在于引入“ 费米面附近±1 eV内的积分态密度（DOSInt） ”，该描述符比传统单点态密度（DOS）更具 数值稳定性和物理可解释性 。模型在343个样本上训练，外部验证集 R2 = 0.92，并成功预测出四个新型氢基超导体，其中 Na2GaCuH6 在 常压下 Tc = 42.04 K，超越 MgB2，NaSrH12 在25 GPa下达到86.32 K，为氢基超导体的低压化设计提供了高效新方法。


研究亮点

1. 可解释的“集成态密度”描述符  

传统电子结构特征对计算参数敏感，且物理含义模糊。本文提出的  DOSInt（±1 eV 积分）  直接反映费米面附近的有效电子数，不仅物理清晰，还对 K 点取样、展宽方案等计算细节具有更强的鲁棒性，显著提升了模型在跨数据集预测中的稳定性。


2. 符号回归驱动的透明预测模型  

采用 SISSO 方法，得到如下紧凑公式：

其中 Hact为氢活性描述符（融合氢 p 轨道活性与氢有效电子浓度），Dp为压力加权主导项。模型在训练集 RMSE = 20.15 K，在独立验证集（72个文献样本）上 RMSE = 34.72 K，在更大测试集（141个样本）上 RMSE = 46.30 K， 兼具高精度与跨体系泛化能力 。


3. 成功发现四个低压/常压新超导体  

结合结构生成与模型筛选，研究团队预测并经第一性原理验证了四个新材料：

Na2GaCuH6 在常压下 Tc = 42.04 K，NaSrH12 和 KSrH12在25 GPa下分别达到86.32 K和55.13 K，NaCaH12 在100 GPa下达162.35 K

其中NaSrH12 和 KSrH12 在 25 GPa 下稳定，显著低于传统氢基超导体的压稳条件，为实验合成提供了明确目标。

图文解析


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图1. 可解释符号回归工作流


从 DFT 数据库构建 → SISSO 训练 → 外部验证 → 结构生成与预测 → EPC 验证，形成“计算+学习+验证”闭环。


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图2. 关键物理描述符与  Tc 的关系

系统展示了压力、氢原子分数、原子数密度、氢轨道积分 DOS 与 Tc 的正相关性，凸显氢 p轨道活性对增强超导的关键作用。


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图3. 模型预测性能与新材料验证


训练集、验证集、测试集上的预测值与计算值高度一致，四类新材料的预测与后续 EPC 计算结果吻合良好，RMSE = 13 K。

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图4. 新材料超导指数 S 分布


NaSrH12 和NaCaH12 在 S 指数上表现突出，表明其在综合性能上优于多数已知氢基超导体。

本研究通过 物理驱动的特征工程 与 符号回归建模 ，为氢基超导体研究提供了一个“透明、高效、可迁移”的发现框架。其核心在于将材料物理机制转化为简洁的数学描述符，实现了从“黑箱预测”向“可理解预测”的跨越。


四个新材料的成功发现，尤其是  常压下 42 K 超导的 Na2GaCuH6 和  25 GPa 下 86 K 的 NaSrH12，验证了该框架在中等压力/常压体系中的强大筛选能力，也为未来在金刚石对顶砧中实现“低压高温”氢基超导提供了具体候选路径。


未来，结合主动学习与更丰富的电子-声子耦合特征，该框架有望进一步拓展至更多非常规超导体系，推动超导材料发现从“试错”迈向“按需设计”。