物理学中的全量子化效应与新的探索

在一般的第一性原理计算中,原子核总是被近似成经典粒子.然而,在一些特殊的体系中,原子核的量子效应对体系的物理性质和物理过程有着至关重要的影响.在相关问题的模拟中,考虑了原子核量子效应的全量子化计算,展示了其独有的准确性.目前,路径积分分子动力学是被广泛采用的全量子化计算方法.而第一性原理的路径积分分子动力学不仅保留了第一性原理计算中电子结构和电子基态能量计算的方法,同时还应用费恩曼（Feynman）路径积分原理,得到了包含原子核量子信息的运动方程.张千帆等人应用第一性原理路径积分分子动力学,计算了BaZrO3中氢核的输运情况.结果表明,原子核的量子化对输运中两个不同的子过程有不同程度的影响,它使得有氢氧键断裂的T过程的势垒下降更多,使T过程成为快过程,从而验证了红外光谱实验的结果,同时否定了传统计算给出的T过程是慢过程的结论.     

通过金属化σ电子寻找新的高温超导体

提高超导相变温度是超导基础研究的一个重要目标,也是超导广泛应用的一个前提。在高温超导微观机理尚不清楚的情况下,寻找高温超导体一般是通过对材料施加高压或通过掺杂使材料尽可能地接近反铁磁或其他量子不稳定点来实现。这篇文章介绍的是一种通过金属化σ电子能带来提高超导相变温度的方法。这种方法之所以有效,能够提高发现新的高温超导体的概率,是因为σ电子与声子之间通常存在很强的相互作用,可以显著增强电子的超导配对能,从而提升超导相变温度。作者以具体材料为例介绍了金属化σ能带的几种可行途径,并介绍了他们最近预言的两个相变温度可能超过50 K的超导体Li₃B₄C₂与Li₂B₃C的晶体及电子结构。     

氢及其同位素宽区状态方程的核量子效应

应用大规模第一性原理分子动力学数值模拟方法,系统研究了氢及其同位素在极端条件下的分子解离规律及状态方程,并给出了参数化的解函数拟合公式。结合分子、原子流体量子振动的一阶修正,揭示了氢及其同位素的核量子效应,解析获得了氢、氘分子在温稠密区域分子解离规律的差别。由第一性原理状态方程给出了雨贡纽曲线,与气炮、化学炸药、磁驱动、高能激光等实验数据相符合,并详细讨论了由核量子效应导致的氢、氘雨贡纽曲线的同位素效应。     

氢及其同位素宽区状态方程的核量子效应

应用大规模第一性原理分子动力学数值模拟方法,系统研究了氢及其同位素在极端条件下的分子解离规律及状态方程,并给出了参数化的解函数拟合公式。结合分子、原子流体量子振动的一阶修正,揭示了氢及其同位素的核量子效应,解析获得了氢、氘分子在温稠密区域分子解离规律的差别。由第一性原理状态方程给出了雨贡纽曲线,与气炮、化学炸药、磁驱动、高能激光等实验数据相符合,并详细讨论了由核量子效应导致的氢、氘雨贡纽曲线的同位素效应。     

三氨基三硝基苯基高聚物粘结炸药热力学性质的理论计算研究

高聚物粘结炸药(PBX)的热力学性质是用于炸药结构响应、安全性评估、数值模拟分析等的重要参数.由于PBX结构的多尺度特性,完全采取实验方法精细表征这些参数存在巨大的挑战.本文运用第一性原理和分子动力学计算的方法,系统研究了三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药的热力学参数和界面热传导性质.利用散射失配模型研究了TATB与聚偏二氟乙烯(PVDF)界面的热传导过程,发现热导率随温度升高而上升,并且在高温情况下接近于定值.基于分子动力学获得的TATB热导率并结合界面热导率,分析了PBX炸药的热导与颗粒尺寸的关系,当颗粒尺寸大于100 nm时,界面热阻对于PBX热导率的影响有限.     

拓展的Skyrme模型中的Skyrmion与其量子化

考察了包含手征流非对易项的拓展Skyrme模型。 在推导出相应Skyrme模型运动方程的基础上对模型中的球对称Skyrmion孤子进行了数值模拟。 对模型进行零模(Zero-mode)量子化之后, 计算核子的若干静态性质, 并讨论了拓展Skyrme模型中手征流非对易项与QCD之间的联系。 This paper considers the extended Skyrme model with the anti commutator of the chiral current. By deducing the equations of motion of extended Skyrme model, the spherically symmetric Skyrmion was numerically simulated. After the Zero-mode quantization of the model, the static properties of nucleons were calculated and the connection of the anti commutator of the chiral current with QCD was discussed.     

基于路径积分分子动力学与热力学积分方法的高压氢自由能计算

在相图研究中, 严格计算一个真实系统在特定温度、压强下的自由能是近年来该领域理论方法发展的前沿. 自Mermin提出有限温度密度泛函理论后, 在电子结构层面, 弱关联系统中人们就其在对自由能贡献的描述已相对完善, 但在原子核运动的描述上, 热运动与量子运动的非简谐项却总被忽视. 本文将路径积分分子动力学与热力学积分结合, 对300 GPa下氢晶体Cmca 结构中原子核热涨落与量子涨落对自由能的影响进行了分析. 发现在100 K核量子涨落非简谐项的贡献约为15 meV每原子, 远大于不同结构间静态焓的差别. 该研究提醒人们简谐近似在核量子效应描述中可能存在的不准确性(即使在低温下). 同时, 我们采取的方法 也为人们进行自由能的准确计算提供了一个简单有效的手段.     

《近代物理学中重大发现的再探索》连载——矩阵力学的发现

以再探索的方式重现了人们根据实验结果发展玻尔原子理论,提出矩阵力学的过程,重点介绍利用物理理论之间的对应关系发展科学理论的方法,以培养大学生的创新能力.     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

Cr二维单层薄片中Jahn-Teller效应的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文对Cr单层薄片的一系列二维结构（长方、正方、六角、斜方和中心长方晶格）进行了结构稳定性和电子性质研究.结果表明,在Cr的二维体系中,对称性较低的斜方晶格和中心长方晶格是稳定的,对称性较高的正方和六角晶格是不稳定的,而长方晶格的形成能很小.Cr二维原子薄片的两种稳定结构都是六角结构畸变的结果,六角晶格的键角减小时会形变成斜方晶格,键角增大时会形变成中心长方晶格,这是由于Jahn-Teller效应使简并能级自发破缺,继而结构产生降低对称性的形变,最终使得体系变得稳定.     

Fractional charges and fractional spins for composite fermions in quantum electrodynamics

By using the Faddeev-Senjanovic path integral quantization method, we quantize the composite fermions in quantum electrodynamics (QED). In the sense of Dirac’s conjecture, we deduce all the constraints and give Dirac’s gauge transformations (DGT). According to that the effective action is invariant under the DGT, we obtain the Noether theorem at the quantum level, which shows the fractional charges for the composite fermions in QED. This result is better than the one deduced from the equations of motion for the statistical potentials, because this result contains both odd and even fractional numbers. Furthermore, we deduce the Noether theorem from the invariance of the effective action under the rotational transformations in 2-dimensional (x, y) plane. The result shows that the composite fermions have fractional spins and fractional statistics. These anomalous properties are given by the constraints for the statistical gauge potential.     

高压下FCC相金属氢结构稳定性和非谐效应的理论研究

利用第一性原理分子动力学方法研究金属氢体系的非简谐效应, 给出金属氢的声子谱, 讨论金属氢声子谱的温度效应。计算得到氢的同位素氕、氘和氚的FCC相在非零温下的声子谱, 不同温度下的声子谱对比发现零温下3.6 TPa为热力学稳定的临界压强点, 而有限温度下(100 K)临界压强点降到2.8 TPa, 非简谐效应显著地改变了体系的结构稳定性和声子振动性质。     

Multiscale simulations in face-centered cubic metals: A method coupling quantum mechanics and molecular mechanics

An effective multiscale simulation which concurrently couples the quantum-mechanical and molecular-mechanical calculations based on the position continuity of atoms is presented.By an iterative procedure,the structure of the dislocation core in face-centered cubic metal is obtained by first-principles calculation and the long-range stress is released by molecular dynamics relaxation.Compared to earlier multiscale methods,the present work couples the long-range strain to the local displacements of the dislocation core in a simpler way with the same accuracy.     

On the relation between thermostatted ring-polymer molecular dynamics and exact quantum dynamics

Here we obtain the explicit difference in the propagator between thermostatted ring-polymer molecular dynamics (TRPMD) and Matsubara dynamics, a recently derived form of linearisation which conserves the quantum Boltzmann distribution. Examination of this approximation leads to the new results that the TRPMD force on the centroid is identical to the Matsubara force on the centroid, and that (in a harmonic potential) the friction matrix can be chosen to produce either the correct oscillation frequency of the higher ring-polymer normal modes or the correct maximum in their position spectrum. This is illustrated with the position-squared autocorrelation function where TRPMD improves upon other similar methods. However, no physical choice of friction resolves qualitatively incorrect fluctuation dynamics at barriers. These results are broadly consistent with previous numerical studies and advise the use of TRPMD for spectra.     

LiNH2 的晶格动力学、介电性质和热力学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,在局域密度近似下采用线性响应的密度泛函微扰理论计算了LiNH₂的晶格动力学、介电性质和热力学性质,得到了布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度,分析了 LiNH₂的红外和拉曼活性声子频率,同时给出它的介电张量和玻恩有效电荷张量. 研究表明,LiNH₂存在小的各向异性,计算所得结果与实验值和其他理论值符合较好.最后,利用得到的声子态密度进一步预测了LiNH₂的热力学性质 关键词： 密度泛函理论 晶格动力学 热力学性质 第一性原理计算     

Electronic structure and magnetic and optical properties of double perovskite Bi2 FeCrO6 from first-principles investigation

Double perovskite Bi2 FeCrO6 , related with multiferroic BiFeO3 , is very interesting because of its strong ferroelectricity and high magnetic Curie temperature beyond room temperature. We investigate its electronic structure and magnetic and optical properties by using a full-potential density-functional method. Our optimization shows that it is a robust ferrimagnetic semiconductor. This nonmetallic phase is formed due to crystal field splitting and spin exchange splitting, in contrast to previous studies. Spin exchange constants and optical properties are calculated. Our Monte Carlo magnetic Curie temperature is 450 K, much higher than any previously calculated value and consistent with experimental results. Our study and analysis reveal that the main magnetic mechanism is an antiferromagnetic superexchange between Fe and Cr over the intermediate O atom. These results are useful in understanding such perovskite materials and exploring their potential applications.     

压力对金属铌中氦原子凝聚的影响

 采用零温条件下的赝势-平面波方法和有限温度下的Car-Parrinello分子动力学方法,模拟了不同压力环境下氦原子在金属铌中的行为特征,研究了宿主缺陷和氦泡的形成机制。结果表明,闭电子壳层的氦原子在金属铌中具有刚球模型特征,其占据区域为金属自由电子的禁区,从而破坏铌原子之间的金属性键合。在常温条件下,局域高浓度的氦原子优先凝聚于近邻宿主空位缺陷处,从而形成氦泡;完整晶格中高浓度的氦将促使铌原子易位,形成间隙-空位模式的宿主缺陷,氦原子聚集于空位区域。完整宿主在压力（40 GPa）的作用下,晶格参数减小,铌原子之间的相互作用增强,尽管氦原子的存在削弱了铌原子之间的相互作用,位于格点上的铌原子仍难以借助热振动偏离格点形成空位,因而未能形成间隙-空位对和氦泡。