高溫高壓下氫（氘）物態(tài)方程與金屬化相變的第一性原理研究.pdf

1、氫是宇宙中最為簡單的元素，是研究凝聚態(tài)問題的經(jīng)典體系之一。在近代自然科學(xué)和工程技術(shù)中，金屬氫問題、高溫超導(dǎo)問題、慣性約束聚變問題、天體演化問題等，均涉及氫及其同位素處于高溫高壓下的物態(tài)變化特性。探索高溫高壓下氫的結(jié)構(gòu)（晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及相態(tài)，包括固、液、汽、等離子體相等）的改變，以及組成粒子（分子、原子、離子、電子）間相互作用等對它的宏觀物理性質(zhì)（包括熱、光、電學(xué)性質(zhì)等）的影響，對于人們認(rèn)識極端高溫高壓條件下氫的凝聚態(tài)物理性質(zhì)也具有重

2、要的科學(xué)意義。
　　高溫高壓下，物質(zhì)在宏觀上可以表現(xiàn)為體積的減小和體系的內(nèi)能增加。其中，體積壓縮使物質(zhì)原子或分子間距縮小。量子力學(xué)認(rèn)為，伴隨著原子間距縮短，電子密度的空間分布將會發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致局域電子向非局域化轉(zhuǎn)變，從而引起物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，乃至發(fā)生突變。人們發(fā)現(xiàn)從常壓增加到100吉帕（≈1兆巴）的過程中，物質(zhì)可以平均發(fā)生3-5個相變。氫雖然具有最簡單的電子結(jié)構(gòu)，但在高溫高壓下其相圖卻是異常的復(fù)雜。
　　近年

3、來，人們對于高溫高壓下氫的內(nèi)能、壓強(qiáng)、溫度、體積變化關(guān)系，以及金屬化相變發(fā)生的條件和所存在的熱力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)域仍存在較大爭議，而相關(guān)實驗數(shù)據(jù)又比較缺乏。因此，本文在介紹完研究背景和研究現(xiàn)狀以及理論方法之后，基于密度泛函理論，對固態(tài)氫和流體氫的物態(tài)方程以及金屬化相變進(jìn)行描述，并說明固態(tài)和液態(tài)氫的密度或體積、液態(tài)氫的直流電導(dǎo)率隨溫度和壓強(qiáng)的變化規(guī)律。
　　我們的研究結(jié)果主要表現(xiàn)為以下兩個方面:
　　1.采用基于密度泛函理論(DFT

4、)框架下廣義梯度近似(GGA)，計算了固氫第二相區(qū)間可能存在的Pca21結(jié)構(gòu)的物態(tài)方程以及聲子譜。在壓強(qiáng)為310 GPa時，Pca21結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃mca-4，并且能帶穿過費米面表現(xiàn)了微弱的金屬性，從理論上說明金屬氫的實現(xiàn)。
　　2.通過基于密度泛函理論的分子動力學(xué)模擬系統(tǒng)的研究了流體氘的沖擊壓縮物態(tài)方程，計算分析了流體氫在密度為0.30-1.10 g/cm3、溫度為103-104 K范圍內(nèi)的氫分子解離、電子結(jié)構(gòu)變化特征，并較詳細(xì)的

5、描述了溫度和密度對體系熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及金屬化相變的影響。采用較大模擬尺寸發(fā)現(xiàn)流體氫在溫度為3000 K仍然存在明顯的一級相變特征。揭示出分子氫離解為原子氫的過程伴隨著絕緣相到金屬相的變化。通過對電導(dǎo)率的計算分析，發(fā)現(xiàn)流體氫的金屬化相變存在于一個更廣泛的溫度和密度區(qū)間，并給出了相應(yīng)相變區(qū)間。最后我們給出了氫的新的相圖。
　　本文基于密度泛函理論系統(tǒng)的分析了溫度和壓強(qiáng)對氫的物理性質(zhì)的影響，證實了固態(tài)下金屬氫的存在，發(fā)現(xiàn)了第一性