研究快讯 | 稠密氢的液-液相变及金属化过程的“全量子”精确模拟

来源：中国物理学会期刊网

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 15 September 2019; 

online 24 September 2019

Express Letter

Towards the Same Line of Liquid–Liquid Phase Transition of Dense Hydrogen from Various Theoretical Predictions

Binbin Lu(卢彬彬), Dongdong Kang(康冬冬), Dan Wang(王丹), Tianyu Gao(高天雨), Jiayu Dai(戴佳钰)

Chin. Phys. Lett. 2019, 36 (10): 103102

文章亮点

近日，国防科技大学物理系戴佳钰团队在稠密氢的液–液相变和金属化研究方面取得了重要进展。利用路径积分分子动力学方法考虑原子核的量子效应，并采用新型范德瓦尔斯泛函和杂化泛函对电子结构计算中的非局域效应进行精确修正，得到了100–300 GPa压强范围内稠密氢的精确的液–液相变曲线和金属化转变曲线，成功弥合了各种密度泛函理论计算的差距，同时首次与量子蒙卡和最新实验结果趋于一致。

稠密氢的液–液相变及金属化过程的“全量子”精确模拟

研究背景

自然界最简单的氢元素在高压下却有着丰富的相以及复杂的相变过程。氢及其同位素是很多宇宙星体的重要组成元素，也是惯性约束核聚变的靶丸材料。几十年来，人们对高压氢的结构和性质进行了大量的实验和理论研究。目前为止，人们已在实验上确认了氢的四种高压固体相，并且理论预言在更高压强下氢将转变为具有超导特性的金属氢。同时，液态氢在高压下也存在分子相到原子相的转变以及金属化转变，这一过程对理解行星内部结构至关重要。氢的液–液相变一直以来存在很大的争论。从最开始是否存在一阶相变的争论到如何确定一阶相变的具体位置，再到现在相变临界点的理论预言，氢的液–液相变始终是高压物理的核心问题之一。不同实验之间、不同理论之间存在的巨大差距促使人们对氢在高压下的行为进行更深入的研究。

内容简介

国防科技大学物理系戴佳钰课题组利用路径积分分子动力学结合密度泛函理论，对氢在100–300 GPa压强范围的液–液相变进行了“全量子”模拟，采用rVV0/vdw-DF1等范德瓦尔斯泛函以及PBE0杂化泛函对非局域效应进行精确修正，得到了稠密氢液–液相变新的相变曲线以及金属化曲线（图1）。

首先，他们选取四个不同温度（600 K, 1000 K, 1500 K, 2000 K）计算了等温状态方程，发现了状态方程随密度变化出现平台，据此得到一阶相变温度和压强。模拟过程中分别采用vdW-DF1和rVV10泛函进行计算，发现rVV10泛函明显优于vdW-DF1泛函。在rVV10泛函基础上进行PBE0泛函修正后发现四个等温状态方程都存在一阶相变特征，他们推断氢的一阶液–液相变的临界点在2000 K以上，这与此前的密度泛函结果存在巨大差异，但与当前的量子蒙卡结果一致。

其次，通过计算氢原子的对关联函数，他们发现在氢的一阶液-液相变过程中氢分子的解离过程非常缓慢，并没有在相变点完全解离。第三，对氢在相变前后的电导计算表明，氢几乎在发生一阶液–液相变的同时发生金属化转变，相变曲线与金属化曲线基本重合。他们的研究表明，氢的高压性质研究必须采用精确的范德瓦尔斯泛函和杂化泛函进行电子结构修正，才能弥合不同密度泛函理论计算的差距。

图1. 稠密氢的相图。路径积分分子动力学结合rVV10以及PBE0泛函的模拟结果与其他密度泛函计算结果相比更接近量子蒙卡模拟结果。

研究意义及重要性

这项工作是稠密氢研究领域的重要进展，为稠密环境中原子结构计算和高压物理领域的工作提供了重要参考，为天体物理以及惯性约束核聚变的研究提供了重要理论依据。该工作有望为最终实验确定稠密氢的相图这一困扰人们多年的难题提供理论支撑。另外，本文提出的方法可以应用于稠密氦或氢氦混合物等其他轻质物质在高压下的结构和性质研究，同时为惯性约束聚变等提供精确的状态方程数据。

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本文共同第一作者是国防科技大学物理系卢彬彬博士和康冬冬副教授，通讯作者是戴佳钰教授，王丹博士和高天雨硕士参与了研究工作和论文撰写。该工作得到了科学挑战计划、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省科技厅、国防科技大学校预研等经费的支持。计算工作主要在国防科技大学高性能计算中心和吕梁超算中心的超级计算机上进行。

本文经授权转载自《Chinese Physics Letters》微信公众号

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