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物理学院马琰铭教授课题组连续发表多篇高水平研究论文
发表于: 2017-10-09 15:02  点击:

  压力是独立于温度和化学组分的物理学参量,可以有效改变物质内部原子或分子的相互作用,产生压力诱导的新现象和新效应,形成具有新结构和新性质的高压新相,为发展新概念、新理论和探索新材料提供了新的源泉。我院马琰铭教授课题组基于自主研发、且拥有自主知识产权的CALYPSO(Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization)结构预测程序,探索高压条件下物质新奇物理与化学性质,设计并合成了系列新型高压相功能材料,揭示结构与宏观性质之间的内在联系,为发展新的物理理论奠定了坚实的知识储备。进入2017年,课题组的多篇高水平研究论文被Nature Reviews Materials, Physical Review Letters和Journal of American Chemical Society等国际著名杂志接收并发表。

  物理学院超硬材料国家重点实验室2015级博士研究生张云蔚作为第一作者的研究论文报道了系列层状碱土元素低氮化物(Ca2N, Sr2N和Ba2N)压力诱导的金属态向半导体态的转变。基于CALYPSO软件的第一性原理计算在预测了压力诱导的相变过程的同时,提出了压力下碱土元素的p-d轨道杂化以及Ca-N原子之间的相互作用是材料金属态向半导体态转变的主要原因。该研究成果不仅提供了压力诱导的金属向绝缘体转变的范例,更清晰的揭示了不同类型电子化合物之间的电子限域拓扑转变。研究论文发表在Journal of American Chemical Society DOI:10.1021/jacs.7b07016.

图1 Ca2N的晶体结构及其态密度

  高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题。自从发现超导电性以来,人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值。特别是,最近的实验研究发现高压下的硫化氢展现出200 K的高超导转变温度,激发了科学家们的热情去探索压力调控下富氢化合物的室温超导电性的可能。马琰铭教授研究团队采用第一性原理结构搜索方法,预测了高压下具有笼状结构的稀土富氢化合物。研究发现:该类材料的高温超导电性与其氢的笼状结构紧密关联。特别是,笼状结构的YH10在400 GPa的压力下可能存在接近室温的高超导转变温度(303 K)。研究成果发表于Physical Review Letters 119, 107001 (2017)。

图2 计算得到的H费米面附近态密度(上图);EPC 参数λ(中间图);

高压下不同笼状化合物的超导转变温度(下图)

  基于课题组多年来在高压条件下凝聚态物质的新结构、新现象和新效应的理论与实验研究中做出的大量创新的研究成果,马琰铭教授受邀在Nature子刊Nature Reviews Materials撰写综述性论文,论文题目为“Materials discovery at high pressures (Nat. Rev. Mater. 2, 1700 (2017))”。该文综述了高压下材料探索的最新研究进展,尤其是关注于硫化氢的高温到超电性,超硬立方形氮化硼和金刚石材料。此外,还探讨了高压下获得高性能储能材料及新奇化合物的可能。针对释压后材料通常发生的结构不稳性,这一高压下材料研究的最大问题,该文也提出了可能的解决方案及前瞻性的论述。

图3 高压下获得超导材料

 

 

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