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课题组在理解金属材料高压物性方面取得重要进展
发布者: 丁向东 | 2021-05-22

       每当提及物质状态,我们大多数人想到的都是固态、液态和气态。但物理学家们已经发现,在极端温度和压力条件下还存在着更多的物质状态,例如强关联材料在高压下可以表现出非常规超导、金属-绝缘体相变、量子临界行为等。

       近日,《自然·物理》期刊以“Free electron to electride transition in dense liquid potassium”为题发表了西安交大材料学院金属强度国家重点实验室丁向东教授科研团队一篇研究论文,报道了他们在理解第一主族碱金属液体高压反常热物性方面取得的重大突破。

       在高压环境下,许多材料的液体会变的比其对应的晶体结构更加致密。基于人工智能辅助的跨尺度模拟技术,实验室宗洪祥副教授及其合作者发现,不同于常规液体中通过提高原子密堆积的方式来实现致密化,液体钾却以另一种奇特的方式致密化,即电子化合物转变。我们知道钾原子中只包含一个价电子,其电子轨道远离原子核,使该电子具有极高的活性。此外,金属纯钾中不存在可与该价电子反应的物质,使其像波一样游荡在原子之间。但是球体原子的堆积方式在高压条件下并非最致密,而是通过失去价电子并填充到原子间隙处,形成新型准粒子(electride)。这类准粒子受困于原子间隙处,只能通过类似原子扩散的方式在物质中传播,进而导致其导电性能显著降低。此外,本项目提出的金属液体电子化合物转变理论可以为巨行星内核的金属化提供一种可能的解释,如电子逃逸出氢分子(在土星和木星)和水分子(天王星和海王星)等。

       该工作由国际化研究团队通力合作完成,包括英国爱丁堡大学、意大利国际物理研究中心(ICTP)。论文第一作者为宗洪祥副教授,西安交通大学为该论文第一作者和通讯作者单位。此外,西安交通大学材料学院赵龙博士生也参与了此项工作。

       需要说明的是,这种新型物质状态的发现得益于丁向东教授科研团队在人工智能技术辅助材料模拟计算方面的长期积累。近年来,西安交通大学丁向东课题组在人工智能辅助材料模拟与设计研究方面取得一系列进展,相关研究已发表在Nat. Commun. 11, 5014 (2020);PNAS 116, 10297-10302(2019); Phys. Rev. Lett. 123, 015701(2019); Adv. Func. Mater. 31,2100547(2021)等上。这一系列工作得到国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目的资助。

      文章链接:https://www.nature.com/articles/s41567-021-01244-w