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鋰原子質(zhì)量很輕，因此由單質(zhì)鋰形成的固體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的核量子效應。在低壓條件下，鋰具有高對稱的立方結(jié)構(gòu)，但取決于具體溫壓條件，鋰或表現(xiàn)出體心立方（bcc）和面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)；在高壓條件下，鋰則表現(xiàn)出更復雜的晶體結(jié)構(gòu)，如每元胞可包含16甚至88個原子的cI16和oC88。由于這些結(jié)構(gòu)自由能差微小，因此如何精準處理非簡諧核量子效應和有限溫效應，以正確預言單質(zhì)鋰的物態(tài)亟待探討。

近期，中國科學院物理研究所研究員王磊團隊聯(lián)合北京應用物理與計算數(shù)學研究所研究員王涵等，在單質(zhì)鋰的高壓固體相圖計算中取得進展。此前，該團隊提出了神經(jīng)網(wǎng)絡正則變換方法，即利用生成模型參數(shù)化量子多體系統(tǒng)的變分密度矩陣，并通過自由能優(yōu)化的方式求解體系的狀態(tài)方程、熱力學熵及激發(fā)譜等。該研究進一步發(fā)展了這一方法并結(jié)合機器學習勢函數(shù)DeepMD與國產(chǎn)軟件ABACUS完成高精度密度泛函理論計算，系統(tǒng)研究了有限溫度和壓強下單質(zhì)鋰量子固體的相圖。

研究表明，相較于經(jīng)典計算，量子非諧效應顯著降低了bcc-fcc結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)變溫度，這與實驗觀測一致。究其原因在于鋰原子在更松散的bcc晶格中大幅度非簡諧振動使聲子模軟化。同時，在高壓條件下，理論計算預測cI16結(jié)構(gòu)中鋰原子的分數(shù)坐標與實驗結(jié)果相吻合，這驗證了計算方法的可靠性。進一步，研究顯示，在更高壓強下實驗發(fā)現(xiàn)的oC88結(jié)構(gòu)起源于經(jīng)典勢能面的能量效應，而非傳統(tǒng)認為的核量子效應或溫度效應。研究人員得出這一結(jié)論的基礎是神經(jīng)網(wǎng)絡正則變換方法對非簡諧核量子效應和熱力學熵的精準處理。同時，由于oC88結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域化的電子結(jié)構(gòu)，對其勢能曲面的準確描述有必要依賴高精度的密度泛函理論計算。

該研究對單質(zhì)鋰相圖的計算和理解有助于學界理解其他堿金屬在高壓下所表現(xiàn)出的復雜相圖。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡正則變換方法的進一步發(fā)展和應用，將為金屬氫、冰相圖等基礎科學問題提供新的物理洞察。

相關(guān)研究成果以Neural Canonical Transformations for Quantum Anharmonic Solids of Lithium為題，發(fā)表在《物理評論快報》上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。

論文鏈接

開源代碼和模型

圖. (a) 低壓下，鋰的 bcc-fcc 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變起源于非簡諧核量子效應所引起的自由能反轉(zhuǎn)；(b) 50GPa附近cI16 結(jié)構(gòu)中計算預測的鋰原子分數(shù)坐標與實驗觀測數(shù)據(jù)的對比；(c) 70GPa附近實驗所觀察到的oC88結(jié)構(gòu)起源于高精度密度泛函理論對自由能的修正。