钇高压相结构及超导转变温度的理论预测研究获进展

中国教育装备采购网2012-10-15 10:10围观1784次我要分享

  最近,沈阳材料科学国家(联合)实验室工程合金研究部陈粤博士、胡青苗研究员与杨锐研究员采用第一性原理方法结合进化算法,预测了压力高于100 GPa时钇的晶体结构,发现该条件下超导转变温度Tc随压力P增大而降低,与100 GPa以下时的Tc-P关系相反。

  稀土金属元素钇在高压下发生超导转变,是具有最高超导转变温度的单质之一。实验研究表明,在压力低于100 GPa左右时,钇的超导转变温度随压力增加而单调升高。另一方面,随压力增加,钇中发生丰富的结构相变。当压力由0增大到100 GPa左右时,钇的结构相变序列为hcp→Sm-type→dhcp→dfcc。因此,研究钇的高压结构转变及超导转变温度的耦合具有重要的理论意义与实用价值。目前,文献报道的最高压力为100 GPa左右,更高压力下钇的晶体结构以及能否通过继续增大压力获得更高的超导转变温度,是超导和高压研究领域的一个前沿问题。

  工程合金研究部科研人员采用第一原理结合进化算法预测,在97 GPa左右时,钇发生由dfcc到oF16-Fddd或hP3-P3121结构相变。两种新型的高压晶体结构oF16-Fddd及hP3-P3121能量比其它晶体结构更低(图1)。声子散射谱的计算结果表明,这两种结构都不存在振动虚频。上述结果分别从能量学和动力学角度说明oF16-Fddd及hP3-P3121结构在97GPa以上能够稳定存在。通过分析电子分波态密度、能带以及电荷密度,研究发现高压下s→d电子转移以及电子向晶格间隙处的偏聚对oF16-Fddd与hP3-P3121相的稳定性有重要贡献。

  在确定了钇在不同压力下的稳定相结构的基础上,研究人员采用第一原理线性响应理论,预测了钇在不同压力下的稳定晶体结构对应的超导转变温度Tc。在100 GPa以下时,Tc随压力增大而单调升高,与实验值符合良好(图2)。但当压力大于100 GPa时,理论计算预测Tc随着压力的增大而下降。这意味着无法采用增大压力的方法得到更高的钇超导转变温度。

  该研究工作对理解钇的高压相变及超导转变具有重要的意义,为相关领域的实验研究指引了方向。研究成果发表于Physical Review Letters 109,159004(2012)。相关工作还发表于Physical Review B,84,132101(2011)。

  这些研究得到了中国科学院金属研究所葛庭燧奖研金、中国科学院王宽诚博士后工作奖励基金以及国家重点基础研究计划(973计划)的资助。

  图1 钇可能存在的新型高压晶体结构示意图(a);不同晶体结构的焓随压力的变化(b)。

  图2 不同压力下钇超导转变温度计算值与实验值的比较(黑色圆点与实线表示实验值)。

来源:中国科学院

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