近日，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室王彦超和吕健等人在晶体结构势能面构建方面取得进展，相关成果以“Representing crystal potential energy surfaces via a stationary-point network”发表于《Acta Materialia》。

势能面(Potential energy surface)是描述材料体系中各原子核位置与体系总能量之间关系的曲面，是在原子水平和量子态层次深入认识和揭示物质结构、性质和动力学行为的基石。但由于晶体结构势能面具有高维度和多能谷的复杂特征，且数学解析形式未知，导致晶体结构势能面的构建和可视化一直是凝聚态领域极具挑战的难题。

本研究基于解景观(Solution landscape)方法，设计了一套具有旋转不变性的广义坐标，实现了对晶体结构编码；基于该编码，通过向上、向下搜索算法结合具有平移不变性的高阶鞍点动力学，在晶体结构势能面上搜索任意阶驻点及其拓扑连接关系，实现了晶体结构势能面关键信息的简化；通过将搜索得到的驻点及其连接关系分别映射为驻点网络图(Stationary-point network, SPN)中的节点和边，实现了晶体结构势能面可视化（图1），进而提出了一种有效表示复杂晶体结构势能面的新方法。利用该方法，成功构建了硅和氮化镓晶体结构势能面的驻点网络图，据此发现了具有较低能垒的相变新路径。该研究为解决晶体结构势能面的构建和可视化提供了全新视角，也为理解材料的稳定性和可合成性以及相变行为开辟了新途径。

图 1 （a）势能面(PES)和驻点网络图(SPN)示意图；（b）晶体解景观示意图

论文第一作者为物质模拟方法与软件教育部重点实验室2021级博士生李璐，通讯作者为北京大学张磊教授、吉林大学吕健教授、王彦超教授和马琰铭院士。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林大学高层次科技创新团队等项目的资助支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120403