【摘要】：氫是質(zhì)量最輕、最簡單的元素,但是其在極端的壓力和溫度條件下表現(xiàn)出了驚人的特性。氫由一個電子和質(zhì)子構(gòu)成,由于氫的質(zhì)子的質(zhì)量較輕,氫具有很強的量子性,對氫及含氫體系研究需要采用嚴(yán)格的量子力學(xué),以做出準(zhǔn)確的預(yù)測。計算含氫物質(zhì)的性質(zhì)時,需要了解質(zhì)子運動對體系能量的影響。20世紀(jì)30年代,Wigner和Huntington預(yù)測氫在25 GPa時可能會轉(zhuǎn)變成金屬氫,從此,金屬氫的制備成為凝聚態(tài)物理中的一個巨大的挑戰(zhàn),吸引了科學(xué)家長達80多年的關(guān)注和研究。在過去的幾十年里,大量的實驗和理論預(yù)測極大地補充了氫的相圖。最近,Dias和Silvera在Science上報道稱他們在495 GPa時觀測到了原子態(tài)的金屬氫,但還需要進一步驗證。另外,根據(jù)Ashcroft提出的化學(xué)預(yù)壓概念,研究人員嘗試對富氫化合物進行高壓研究,期望發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。在本工作中,采用蒙特卡羅方法研究了氫分子離子和氫分子體系在束縛條件下的性質(zhì),以及用密度泛函理論對富氫化合物Cu-H體系和Pa-H體系在高壓下的晶體結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和超導(dǎo)性質(zhì)進行了理論預(yù)測,得到了以下創(chuàng)新性研究結(jié)果:1)對于限制條件下的氫分子離子和氫分子體系,考慮質(zhì)子的零點運動后,基態(tài)能、壓力和平衡鍵長均比前人的計算結(jié)果偏大。詳細(xì)計算了質(zhì)子運動對電子運動的影響,考慮質(zhì)子運動后,電子的動能增加5%左右。通過質(zhì)子動能與電子動能之比隨壓力的變化可知,壓力比較高時,電子動能增長速度比質(zhì)子動能增長速度快。整體來看,質(zhì)子動能僅為電子動能的千分之幾,在計算精度要求不高時,可忽略不計。在氫分子離子體系中,質(zhì)子動能與電子動能之比與壓力的曲線近似為一條直線,沒有相變發(fā)生。在氫分子體系中,動能之比與壓力曲線有三個轉(zhuǎn)折點:65 GPa、220 GPa和440 GPa,應(yīng)該對應(yīng)著質(zhì)子間距變化規(guī)律發(fā)生改變引起的相變。2)系統(tǒng)地研究了Cu-H體系在高壓下的晶體結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、動力學(xué)及超導(dǎo)性質(zhì)。理論預(yù)測Cu2H的合成壓力為16.8 GPa,與實驗上測得的18.6 GPa符合很好。對于Cu H,理論預(yù)測合成壓力為30 GPa,但其在120 GPa時動力學(xué)才能穩(wěn)定。Cu H2在整個研究壓力范圍內(nèi)熱力學(xué)均不穩(wěn)定,Cu H3在160 GPa熱力學(xué)穩(wěn)定,但是直到300 GPa動力學(xué)都不穩(wěn)定。電子結(jié)構(gòu)計算發(fā)現(xiàn)Cu H是絕緣體,Cu2H是金屬,在40 GPa時超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為0.028 K。3)首次系統(tǒng)地研究了錒系氫化物Pa-H體系在0-300 GPa壓力范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、動力學(xué)及超導(dǎo)性質(zhì)。在研究壓力范圍內(nèi),Pa H、Pa H3、Pa H4、Pa H5、Pa H8和Pa H9六個化合物都是熱力學(xué)穩(wěn)定的。其中Pm-3n-Pa H3在常壓下就能穩(wěn)定存在,與已知實驗結(jié)果一致。Fm-3m-Pa H8和F-43m-Pa H9結(jié)構(gòu)中都有H8籠子,Fm-3m-Pa H8中的H8籠子是立方的,F-43m-Pa H9的H8籠子是扭曲的,且兩個籠子之間由一個H原子連接。計算了穩(wěn)定配比化合物的電子態(tài)密度,發(fā)現(xiàn)除了F-43m-Pa H5是半導(dǎo)體,其余穩(wěn)定配比均為金屬。最后計算了Fm-3m-Pa H8和F-43m-Pa H9的超導(dǎo)性質(zhì),Fm-3m-Pa H8在壓力為10 GPa時,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為71.4 79.4 K。F-43m-Pa H9在80 GPa時,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為27.8 36.1 K。這項工作為Pa-H體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了一個新的視角,并且有助于研究其它錒系氫化物的性質(zhì)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ122.3;O613.2;O511.3
【圖文】：

第一章 緒論相對低的溫度下。靜態(tài)測量的實驗范圍如圖 1.2 中的虛線所示。到目前為止，動態(tài)沖擊波壓縮2可以達到類似的溫度和壓力條件以及更極端的條件。其中，這些條件是不完全重疊的，但是這類實驗在極端條件下具有很大的不確定性，可能遠大于上述所說的 1%的所需精度。

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文近的研究表明事實并非如此，固態(tài)氫一般會經(jīng)歷從分子相到原子相的相變。一般來說，可以把 IM 轉(zhuǎn)變看作是從分子相到原子相的變化，也可以簡單地看作是直接發(fā)生在分子相階段的變化。這兩種說法都是可信的，現(xiàn)在還不能確定到底是哪種變化。圖 1.3 給出了最近研究總結(jié)的氫的相圖9。從圖中可以看到，氫從低密度的分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊脑泳w。此外，隨著溫度的升高，氫會先熔化，然后轉(zhuǎn)變成等離子體狀態(tài)。

變分蒙特卡羅算法的流程圖

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