近日,吉林大學物理學院段德芳教授、寧波大學崔田教授(吉林大學唐敖慶教授)等人,與加利福尼亞州立大學北嶺分校的苗茂生教授等人合作,在超高壓下雙原子分子晶體結構研究方面取得突破性進展。研究成果以“Multistep Dissociation of Fluorine Molecules under Extreme Compression”為題,於2021年6月4日發表於Physical Review Letters雜誌上。
在足够高的壓力下,所有的分子體系都會解離成原子相,並伴隨著新奇特性的出現,如理論預言絕緣的氫分子晶體在高壓(大於550 GPa)下轉變成金屬原子氫,成為室溫超導體;實驗發現氮分子晶體在110 GPa解離為立方結構的聚合氮(cg-N),是高能量密度資料;實驗發現鹵族單質碘、溴和氯分別在23 GPa、80和258 GPa分子解離轉變為非公度結構,原子相具有超導特性。到目前為止,元素週期表中唯獨氟在超高壓下的結構演化還不清楚,由於氟在元素週期表中的獨特位置,研究它在高壓下的結構演化,具有特殊的意義。
圖1理論預測超高壓下氟的混合相和原子相的結構示意圖。
早在2007年,崔田課題組就針對I2和Br2雙原子分子體系進行了系統而深入的研究:構建了一個合理的調製結構,很好地表徵了固態溴的非公度相,揭示了彈性常數C44軟化是導致分子相解離機制(PRB 76,104113,2007);發現非靜水壓引起碘的超導轉變溫度(Tc)隨壓力增大而升高,很好地解釋了長期未能得到解釋的實驗現象(PRB 79,064518,2009)。該工作採用基於第一性原理的晶體結構蒐索方法,發現氟分子相在2.75 TPa發生部分解離,出現了分子和聚合鏈共存的混合相,然後轉變為由聚合鏈和原子共存的混合相,最後在30 TPa下轉變為純原子相。至此,弄清了超高壓下最後一個雙原子分子F2的解離過程,它在高壓下獨特的結構演化,是其他任何元素中都沒有的。預測的這兩個混合相和原子相都呈現金屬性,並具有超導電性,使得高壓下的氟成為元素超導體中的一員。該工作對氟在極端壓力下結構演化行為的研究,填補了雙原子分子高壓行為的最後一塊空白,具有重要的科學意義。
該論文的第一作者為吉林大學的段德芳教授,通訊作者為寧波大學的崔田教授和加利福尼亞州立大學北嶺分校的苗茂生教授。該工作得到了國家重點研發計畫項目、國家自然基金委項目、吉林大學高性能計算中心與國家超級計算天津中心天河一號的大力支持。
論文全文連結:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.225704
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