高密度氫的低溫高壓狀態方程理論研究

《高密度氫的低溫高壓狀態方程理論研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由耿華運擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高密度氫的低溫高壓狀態方程理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：耿華運
• 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所

項目摘要

氫和氦等輕元素材料的高壓特性是一個長久以來被廣泛關注的科學問題，但由於包含了極其複雜的量子現象，目前我們對自然界中這類簡單材料的高壓行為的理解仍然很欠缺。要在武器設計或新能源利用中精確控制氫（及其同位素氘和氚）的行為，對這些現象的深入理解不可或缺。由於氫的低溫高壓狀態方程並沒有被詳細而充分地研究過，而這一性質的重要性日益突出，本項目將以第一原理方法為主要手段，研究高壓下可靠的3 TPa 壓力範圍內高密度氫的零溫及300 至3000 K溫度範圍內的壓縮行為，建立描述氫的低溫高壓固體結構及相變的理論模型，增進對高壓下輕元素材料的熱力學性質的理解，預測並分析在高壓載入下氫的相關力學性質的變化規律。本項目將進一步拓展對輕元素材料（特別是氫）的高壓特性的理解，獲得精確的氫的低溫壓縮回響特性，為開展輕元素材料的靜壓-動壓聯合載入實驗提供理論基礎。

結題摘要

氫的低溫高壓結構研究的意義非常重大，是一個人們長期感興趣的重要基礎研究課題和凝聚態物理中懸而未決的經典難題之一。本項目利用先進的第一原理方法，把壓力擴展至7 TPa，通過發展並自主開發的路徑積分分子動力學程式以及其它分析與統計方法，對高密度氫的結構、物性、相圖與狀態方程進行了系統研究，獲得了開拓性認識，包括：（1）低溫下發現大量低能結構和簡併的基態結構，揭示了高密度氫平坦的勢能曲面變化及很強的非諧振動的根源；（2）利用結構搜尋和分子動力學相結合的方法發現了穩定或亞穩的三原子分子晶體和鏈狀分子晶體相；（3）開展了固相間轉變路徑與勢壘的一系列計算，證明目前所知的原子相的高密度氫均無法淬火到零壓，回答了金屬氫研究中的一個基本的科學問題；（4）發現基於低壓實驗數據的狀態方程在高壓區發生嚴重偏離，並提出了新的狀態方程形式給予修正；（5）提出了路徑積分的多層級抽樣算法，獨立開發了第一原理路徑積分分子動力學程式；（6）在500至1500 GPa的金屬氫中，發現相互作用的軟化是有限的；（7）發現在500 GPa至1.5 TPa壓力範圍內，核的量子效應使熔化溫度降至室溫以下，為200~250 K左右；（8）證明在趨於基態時，固體氫是穩定的，並發現在真正熔化之前，它將轉變進入一種各向異性的新穎物態，結合模型分析，揭示了這一奇異物相可以在保持長程有序的“晶體結構”的條件下具有大尺度、長距離的原子快速運動，我們稱之為流動固體；（9）預測當壓力大於2 TPa後氫的熔化溫度將再次升高，並形成深“U”形狀，並明確指出氫的這種複雜行為的根源在於壓縮導致的s至p電子轉移以及與之伴隨的氫分子的離解。這些認識拓展和豐富了我們的視野和思路，獲得的數據、知識和建立的物理圖像對進一步理解氫及富氫化合物的高溫高壓行為非常關鍵，相關結果對天體物理和新能源利用以及凝聚態物理等領城有重要幫助，具有重要的科學價值和意義。