近日，williamhill英国数学与物理学院卢成教授团队联合吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室钟鑫教授、英国爱丁堡大学极端条件科学中心 Andreas Hermann 教授，在常压超硬超导材料研究领域取得重要进展。研究成果以“Superhard superconductor of hydrogen doped cubic BC2N under ambient pressure”为题，发表于国际材料学期刊《Acta Materialia》。
图1常压超硬超导材料结构设计。
超硬材料和超导材料是凝聚态物理和材料科学领域长期关注的两类重要功能材料。超硬材料通常依赖强共价键和稳定的三维刚性骨架，在切削加工、耐磨涂层和极端环境器件等领域具有重要应用；而超导材料则要求体系具有较高载流子浓度、较强电子离域性以及有效的电子—声子耦合。然而，二者在微观机制上往往存在内在矛盾：强共价键有利于提升硬度，却容易导致电子局域化和半导体特征；增强金属性和载流子浓度有助于诱导超导电性，却可能削弱材料的力学性能。因此，如何在常压条件下，同时保持强共价骨架和实现超导电性，已成为超硬超导多功能材料设计中亟待解决的关键科学问题。
图2掺杂立方BC2N化合物的周期表。红色方块表示超导结构，绿色方块表示金属结构，灰色表示动力学不稳定结构，蓝色对应未计算的结构。
在本项工作中，研究团队提出了一种基于氢掺杂调控立方BC2N电子结构的设计策略，旨在不破坏超硬骨架的前提下实现常压超导性。高通量计算结果表明：在多种候选掺杂元素中，氢因其质量轻、原子半径小且易进入晶格间隙，既能提供有利于高温超导的振动特征，又不会破坏立方BC2N原有的sp3共价网络，是理想的掺杂元素。进一步研究发现：掺入的氢原子以间隙形式存在，表现出电子受体特征并形成类氢负离子，从邻近原子获得电子后诱导局部晶格畸变和电荷重新分布，使立方BC2N由本征半导体转变为金属态；尤其是在双氢掺杂构型(BC2N)3H2中，价带整体上移，并在费米能级附近形成平带，显著提升了费米能级附近的电子态密度和电子—声子耦合相互作用。氢与B-C-N共价网格之间的强耦合，进一步促进了超导电性的产生。理论计算结果表明：(BC2N)3H2在常压下具有良好的动力学稳定性，其电子—声子耦合常数λ达到0.80，对应的超导转变温度约为37.7 K；此外，该材料仍保持约44.2 GPa的维氏硬度，为潜在的超硬材料。该研究表明氢掺杂能够在保持三维强共价网格完整性的基础上，实现对材料结构、电子态和晶格动力学行为的协同调控，为常压下新型超硬超导多功能材料的理论设计与实验探索提供了重要思路。
论文第一作者为williamhill英国数学与物理学院硕士研究生张文瑞，通讯作者为吉林大学钟鑫教授、英国爱丁堡大学 Andreas Hermann 教授和williamhill英国卢成教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。
论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122292
