透明致密单质钠

传统高压理论认为,高压可有效缩短金属的原子间距,导致价带和导带展宽,进而使其金属性增强。然而,目前实验可达到的压力条件已足以将物质压缩到芯电子发生重叠的状态。这一高压效应会使金属发生复杂的结构相变而具有独特的晶体结构和新奇的电子性质。曾有理论预言,简单金属锂和钠在高压下会出现原子配对而导致的绝缘相,但这一预言没有得到其它理论和实验的支持。本研究将理论模拟和高压实验测量相结合,发现金属钠在200万大气压下转变为一种新型物质状态——光学透明的宽带隙绝缘态。绝缘态钠具有简单而独特的晶体结构——c轴高度压缩的双六角密堆结构。高压钠的绝缘态不是早期理论预言的原子配对的结果,而是p和d轨道电子杂化,以及芯电子云之间高度交叠的结果。钠原子的价电子受芯电子排斥而高度局域在晶格间隙中,这些在间隙中被"冻结"的价电子完全失去了自由电子的特性,表现出绝缘体的特性。当压力足够使原子的芯电子发生强烈重叠时,这种新型绝缘状态可以在其它元素和化合物中广泛存在。     

CsI高压超导电性的第一性原理

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了高压下CsI的电子能带结构、 电子态密度、 声子谱、 声子态密度以及电子和声子的相互作用, 探讨了CsI在高压下产生超导电性的物理机制. 研究表明, CsI层内的光学振动模式与电子之间的强耦合作用是CsI产生超导电性的主要原因.     

压力对固体氩中杂质钠原子吸收光谱的影响

利用等温等压系综Monte Carlo方法, 在低温下(T = 10 K)研究了压力的变化(0~2.4 GPa)对固氩掺钠体系中杂质钠原子吸收光谱的影响. 对于替代数为n_v = 1和2两种掺杂体系, 压力的增加都没有改变钠原子俘获点周围的局域对称性, 只是减小了钠氩、氩氩之间的距离, 使得体系更加致密. 但压力的增大导致了钠原子的吸收谱逐渐变宽, 峰位以及质心谱移向低能方向移动, 即出现红移. 对局域结构属于高对称俘获点n_v =1的掺杂体系, 在较低压力下, 吸收谱为高对称三体线形. 随着压力的增加, 吸收谱开始变宽并移动, 吸收谱重叠成单峰形状. 对局域结构属于低对称性俘获点n_v =2的掺杂体系, 在较低压力下, 吸收谱为单峰加双峰的吸收线形. 随着压力的增大, 单双峰之间的劈裂增大, 双峰重合成单峰形状.     

杂质氢原子对金属锂物理性质的影响和压力效应

采用基于密度泛涵理论的平面波-赝势方法, 研究了零温和高压下由16个体心锂原子和一个杂质氢原子构成的体系的结构和物理性质. 结果表明, 氢原子的引入使锂宿主晶格发生显著的畸变. 尽管无宿主晶格弛豫下的计算显示, 体心锂中的四面体空位(4个近邻锂原子构成的四面体中心, T点)是氢原子的最可能俘获点, 但是在晶格充分弛豫的情况下, 氢原子实际占据的是由6个锂原子构成的八面体中心(O点), 体系具P4/mmm对称性. 在所计算的压力范围内(0 ~ 6 GPa), 该体系保持对称性不变, 但是在3 GPa附近晶格参数比(a/c)发生明显的跃变. 氢原子带位于价带底, 与金属价带分离, 表明氢呈现负电性. 杂质氢原子导致了体系的带间跃迁光谱呈现低频高反射, 并且在低频区约0.4 eV处出现特征反射低谷, 当压力升高到约4 GPa 时, 又在约4.3 eV处形成另一反射低谷.     

碱金属单质的奇异高压行为

碱金属元素单质(锂、钠、钾、铷和铯)的原子最外层只有一个近自由的s电子, 在常温和常压下碱金属单质具有简单的体心立方结构. 在压力的作用下, 碱金属原子间距减小, 电子轨道重叠程度增加, 导致电荷发生重新分布(如, s→p或s→d电荷的转移), 引起一系列复杂的结构相变发生(如长程无序非公度结构的形成). 伴随结构相变的发生, 碱金属单质的电子性质也发生了很大的变化, 比如锂和铯出现了超导电性, 更令人惊奇的是锂和钠在高压下还发生了有违传统高压理论的金属到绝缘体的转变. 文中总结了5种碱金属元素单质锂、钠、钾、铷和铯在高压下的丰富结构相变行为, 介绍了各种新型高压相结构, 分析了相变产生的物理机制, 阐述了锂和铯的高压超导电性, 并重点介绍了锂和钠的金属-绝缘体相变. 最后我们还展望了碱金属元素单质的未来高压研究的重点.