Ab initio calculations for superconducting metal hydride alloys

In this thesis we carried out a theoretical and computational in order to investigate the possibility to obtain a superconducting phase in a class of hydrogen compounds called hydrides. These materials received considerably attentions since the famous physicist Neil Aschroft (1938-2021) proposed them as possible candidates to witness high-temperature superconductivity. They also enjoyed a new wave of popularity in very recent times following the discovery of superconductivity at room temperature in a ternary compound of hydrogen. However the extremely high pressure at which experiment have been carried out renders their application outside of research impossible. For this reason we turned our attention to the only superconducting hydride at ambient pressure (although with a critical temperature of 8-9 K): palladium hydride. Inspired by the experimental work of Stritzker, which seems to be went unnoticed for more than 30 years, we decided to investigate the possibility of increasing its critical temperature by means of copper addition. The great interest toward such hydrogenated compounds is justified since the mechanism underlying the superconducting transition is well understood to arise from the traditional electron-phonon coupling. This aspect allow us to approach the problem by means of suitable theoretical models developed as extensions of the BCS theory (namely the Midgal-Eliashberg theory) which proved themselves as capable to provide predictions in excellent agreement with experimental data. To solve numerically the electron problem in a lattice we adopted the approach of Density Functional Theory (DFT). To perform the calculations we used the open-source Quantum ESPRESSO package.

In questa tesi abbiamo svolto un lavoro teorico computazionale al fine di investigare la possibilità di ottenere una fase superconduttiva in alcuni composti dell'idrogeno chiamati idruri. Questi materiali hanno ricevuto notevole attenzione sin da quando il celebre fisico Neil Aschroft (1938-2021) li propose come possibili candidati per assistere ad una transizione superconduttiva ad alte temperature. Essi hanno persino goduto di un nuova ondata di popolarità in tempi assai recenti a seguito della scoperta della superconduttività a temperatura ambiente in un composto ternario dell'idrogeno. Purtroppo le enormi pressioni alle quali sono stati condotti gli esperimenti rendono impossibile l'impiego nella pratica di tali materiali. Per questo motivo abbiamo rivolto la nostra attenzione sull'unico idruro in grado di supercondurre a pressione ambiente (sebbene con una temperature critica di 8-9 K): l'idruro di palladio. Ispirati da un lavoro sperimentale del fisico tedesco Stritzker, lavoro che sembra essere passato inosservato per più di 30 anni, abbiamo deciso di indagare la possibilità di aumentare tale temperatura critica attraverso la formazione di un composto ternario di palladio, rame e idrogeno. Il grande interesse verso i suddetti composti idrogenati è giustificabile in quanto risulta ormai appurato che il meccanismo alla base della superconduttività sia tradizionale, ovvero originante dall'interazione elettrone-fonone. Tale aspetto consente di approcciare il problema mediante l'impiego di modelli teorici nati come estensione dalla teoria BCS (quali la teoria di Midgal-Eliashberg) che si sono dimostrati in grado di fare predizioni in eccellente accordo con i dati sperimentali. Per risolvere numericamente il problema elettronico in un solido è stato fatto uso della Teoria del Funzionale di Densità (DFT). A tal fine è stato usato il pacchetto software open-source Quantum ESPRESSO.