第五态——夸克胶子等离子体

<正>一、相图和相变人类社会的科技进步史是一部不断探索、发现并理解物质新形态的历史。物理学中将宏观物质在不同外界条件(如温度、压强、磁场,等等)下所呈现出来的千变万化的形态与性质称为物质的各种"相"(phase),而这些相之间的转变则被称为相变(phase transition)。生活中最常见的例子莫过于水在不同温度和压强下的形态转变了。在物理学的研究中,为了研究的方便,对一种物质,人们会制作一张"地图"。这张地图中的经度和纬度分别对应的是影响物态的外界条件,比如我们所提到的温度和压强。图中不同的区域就对应于物质在相应条件下的不同状态,比如冰、水和水蒸气等等。这些不同状态被称为物质在该条件下的"相",而这张地图被称为"相图"(phase diagram)。不同区域的分界线对应着在特定条件下不同相之间的相变。实际上"相"是个内涵很丰富的译名:     

低温下封闭空间内部氢的相变相平衡特性研究

为了研究低温下封闭空间内工质的相变相平衡特性过程,利用Fluent建立了薄壁微小球体的封闭空间二维模型,对该球体的相变相平衡过程进行传热传质数值仿真。获得了球体内部的温度场及相体积分数分布随时间变化的规律,发现在相变相平衡过程中,球体内外温差逐渐减小并趋于不变,能为相变提供冷量,使得液相的量近似呈线性增加;并且球体材料的热物性当中比热容对相变过程的影响最大,而热导率几乎无影响。     

硫化铁的两个电导率相关的相变

 由于X射线对高级相变和电子相变不够敏感,致使很多物质的相变和新的性质被忽略。对物质电阻的变化进行分析可以很好地弥补这一缺陷。通过金刚石对顶砧上原位电阻测量方法,在0~88.7 GPa的压强范围内,在300~443 K的温度条件下,基于范德堡法电阻测量原理,对硫化铁的电导率进行了测量。通过对电导率的分析发现,在零压、温度为408 K的条件下,硫化铁转变成了NiAs结构相。在34.7 GPa和61.3 GPa压强处发现了两个新的突变点,为了印证这两处相变的可靠性,分别测量了在不同压强下样品电导率随温度的变化情况。     

偏硼酸锂固体及其熔体结构的高温Raman光谱研究

本文对偏硼酸锂（ＬｉＢＯ２）从室温到１６７３Ｋ进行了Ｒａｍａｎ光谱测试,得到了其在不同温度下的Ｒａｍａｎ谱图。通过分析,阐述了常温下的链状ＢＯ３三角形结构在熔化后逐渐转变为六角环（Ｂ３Ｏ６）＾３－,即相变过程;以及在１２７３Ｋ后,由长链和六角环结构转化为ＣＲＮ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｕｌｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ,ＢＯ３单元组成的连续无规网络）的新的相平衡移动过程。通过各谱峰在相平衡移动过程中相     

广义等温等压系综-分子动力学模拟全原子水的气液共存形貌

探测相变过程中瞬时共存相的形貌等特征对理解其微观机制十分重要.本文应用广义等温等压系综-分子动力学模拟方法,研究全原子水模型的气液两相平衡及相变的中间过程.研究发现,此广义系综方法能够通过持续降温,连续地历经从气态、气液共存到液态的整个相变过程,通过持续升温历经其相反过程,而不会发生标准正则系综中的过饱和热滞现象.该方法不需要使用副本交换等增强抽样方法,因此可以用于较大体系的研究,多个独立的模拟即能获得整个气态液态区的平衡性质及共存相特征.本文还提出了计算气液共存界面面积的新方法,给出了水的气液共存界面形状随温度、压强的变化规律.结果表明,低压时水的气液共存界面因其较大的表面张力而接近球面,符合经典成核理论的描述,但随着压强升高接近其临界压强时,气态和液态的差别减小,界面的表面张力变小,界面形状变为无规则的枝杈结构,表现为二阶相变特征.     

场诱导下自旋冰系统[111]方向磁相变过程的蒙特卡洛模拟

自旋冰系统因为具有与固体水(冰Ih)中氢原子构型相同的自旋排列局域规则而具有宏观量子简并的基态,即使十分接近零温也不会达到长程磁有序态.外场的诱导将破坏基态的简并而使系统达到长程磁有序.我们在最近邻铁磁相互作用的简化模型下用蒙特卡洛方法模拟了自旋冰系统在[111]方向外场下的磁相变行为.分别给出了不同温度和不同相互作用强度下的磁化曲线,分析了系统的磁化过程中自旋的取向得有序程度以及相变,探讨了相互作用强度对系统磁相变行为的影响.     

ZnSe相变、电子结构的第一性原理计算

基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对闪锌矿结构(ZB)和岩盐结构(RS)的ZnSe在0—20GPa高压下的几何结构、态密度、能带结构进行了计算研究,分析了闪锌矿结构ZnSe和岩盐结构ZnSe的几何结构.在此基础上,研究了ZnSe的结构相变、弹性常数、成键情况以及相变压强下电子结构的变化机理.结果发现:通过焓相等原理得到的ZB相到RS相的相变压强为15.3GPa,而由弹性常数判据得到的相变压强为11.52GPa,但在9.5GPa左右并没有发现简单立方相的出现;在结构相变过程中,sp3轨道杂化现象并未消除,Zn原子的4s电子在RS相ZnSe的导电性中起主要贡献.     

SrS相变和弹性性质的第一原理计算

利用平面波赝势密度泛函方法和准谐德拜模型研究了SrS从NaCl结构到CsCl结构的相变以及弹性性质.在零温下,我们计算的相变压强为17.9 GPa,这与实验值和其他作者的计算值符合很好.研究还表明:相变压强随温度增加而非线性地增加,然而力学不稳性的压强随温度增加而线性地增加.     

α铁冲击相变的离散元方法

利用离散元方法结合基于无扩散相变的两相模型、热力学相容的自由能函数与有限速率相变动力学方程,模拟α铁的冲击相变过程.得到铁的相边界、冲击Hugoniot关系及自由面速度剖面,并对不同冲击压力下加卸载过程的波系传播和相互作用过程进行分析,获得了加卸载波速特征.     

应用化学势曲线对气液相平衡和质量转移问题的分析

提出应用化学势与压强的关系曲线分析曲面气液两相的相平衡及物质质量转移问题的方法.通过曲线描述,提供了关于相平衡、弯曲液面饱和蒸气压以及蒸发、凝结等规律比较直观的物理图像.     

ZnS结构相变、电子结构和光学性质的研究

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法, 对闪锌矿结构(ZB)和氯化钠结构(RS) ZnS的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究, 分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机理. 结果表明: 通过状态方程得到ZB相到RS相的相变压强值为18.1 GPa, 而利用焓相等原理得到的相变压强值为18.0 GPa; 在结构相变过程中, sp³轨道杂化现象并未消失, RS相ZnS的金属性明显增强; 与ZB相ZnS相比, RS相ZnS的介电常数主峰明显增强, 并向低能方向出现了明显偏移, 使得介电峰向低能方向拓展, 在低能区电子跃迁大大增强. 关键词： 硫化锌 相变 电子结构 光学性质     

铁冲击相变的分子动力学研究

用分子动力学方法模拟了单晶铁(Fe)在一定初始温度下冲击相变(α相→ε相)的微观过程，结果显示温度会导致冲击相变压力阈值降低.基于此微观过程，对加卸载波系的传播规律进行了相应计算和分析，结果表明在卸载过程中逆相变波(ε相→α相)相对于波前以当地纵波声速传播，而相对波后以亚声速传播，这可由卸载压力-密度曲线给出相应解释；计算了不同初态的卸载压力-密度状态曲线，并给出了逆相变带的分布，其分布规律显示了卸载过程逆相变的滞后现象. 关键词： 分子动力学 多体势 冲击波 相变     

顶角耦合的密度依赖对核物质汽液相变的影响

通过Furnstahl,Serot和Tang模型,在引入核子-核子-ρ介子(NNρ)耦合强度对密度的依赖关系的条件下研究了核物质的汽液相变.证明存在一个极限压强P_lim,当压强P>P_lim时,不可能两相共存,即不可能发生汽液相变.     

面心立方金属铈的高压电子结构研究

本文简要介绍了我们开发的基于密度泛函理论和动力学平均场理论（DFT+DMFT）的全自洽的的计算程序,并运用该程序研究了面心立方金属铈的等结构相变. 动力学平均场采用的是目前公认的最为准确和高效的连续时间蒙特卡罗方法作为杂质求解器. 我们首先分别计算了 和 相的电子态密度,该结果可以正确的描述两个相的电子结构特征. 然后计算了不同温度下的相变前后的电子结构,从中可以得到电子结构在不同温度下的相变过程,与之前的实验结果一致. 这一工作为以后进一步的金属铈的等结构相变研究打下了基础.     

用密度泛函理论研究氮化硅新相的电子结构、光学性质和相变

运用第一性原理赝势方法,对氮化硅新相(六方Pˉ6和Pˉ6′相)的电子结构、光学性质和相变过程进行分析,研究能带结构、介电函数谱、反射谱和能量损失函数的变化机理.研究发现,β→Pˉ6→δ相变是可行的,在室温下β→Pˉ6和Pˉ6→δ相变的临界压强分别为42.9和47.7 GPa;相界的斜率为正值表明Pˉ6→δ相变过程伴随着晶胞体积的塌缩;Pˉ6和Pˉ6′相分别属于直接带隙和间接带隙半导体,能隙宽度分别为4.98和4.01 eV;得到了两相的零频介电常数;反射谱表明,两相的强反射峰均位于真空紫外线区域,因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料;在可见光区域,两相表现为近似透明.     

极端条件下Ge_3N_4的弹性性能、电子性质和相稳定性

采用密度泛函理论框架下的平面波方法结合准谐近似,研究了Ge3N4的β相、w相和γ相在高温高压条件下的力学稳定性、相变点、电子结构和弹性性质。结果表明:γ相的抗剪切能力最强、刚度最大、属于超硬材料,β相具有最小的体弹模量、杨氏模量和G/B值、因此韧性和延性最好;w相和β相都属于延性相;而γ相则呈现出脆性,在30GPa后转变为延性材料。3种相都属于半导体,成键主要来自于N-2p轨道和Ge-4s、Ge-4p轨道的杂化;它们的结构能保持稳定是源于强烈的共价键;β相、w相和γ相分别属于Γ-A型、Γ-N型间接带隙和直接带隙半导体。研究发现,β→w相变对压强非常敏感,可以认为该相变是因压强的改变而引起的;w→γ相变伴随着晶胞体积的塌缩;同时,还成功地得到了β→w→γ相变的相界。     

面心立方金属铈的高压电子结构研究

本文简要介绍了我们开发的基于密度泛函理论和动力学平均场理论(DFT+DMFT)的全自洽的的计算程序,并运用该程序研究了面心立方金属铈的等结构相变.动力学平均场采用的是目前公认的最为准确和高效的连续时间蒙特卡罗方法作为杂质求解器.我们首先分别计算了γ和α相的电子态密度,该结果可以正确的描述两个相的电子结构特征.然后计算了不同温度下的相变前后的电子结构,从中可以得到电子结构在不同温度下的相变过程,与之前的实验结果一致.这一工作为以后进一步的金属铈的等结构相变研究打下了基础.     

Bi2Sr2Ca2Cu3Ox超导体的低温内耗和相变的研究

用倒扭摆和DSC研究了Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_x 超导体在温度100K 至300K 范围内的内耗和相变.发现有五个内耗峰分别在110K、130K、180K、190K 和210K 附近.除190K 峰外,都伴随有切变模量软化.其中180K 和210K 内耗峰明显与 DSC 的放热峰对应.认为这些内耗峰与晶格不稳、晶格参数发生跳变有关,是由类相变过程中应力感生相界面运动所引起.     

第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质

采用第一性原理研究了CdS的六方纤锌矿(WZ), 立方闪锌矿(ZB) 和岩盐矿(RS)相在高压条件下的相稳定性、 相变点、电子结构以及弹性性能.WZ相与RS 相可以在相应的压强范围内稳定存在, 而ZB相不能稳定存在.压强大于2.18 GPa时, WZ相向RS相发生金属化相变.WZ相中S原子电负性大于Cd, 且电负性差值小于1.7, CdS的WZ相为共价晶体.高压作用下, S原子半径被强烈压缩, 有效核电荷增加, 对层外电子吸引能力提高, 电负性急剧增大, 导致S与Cd的电负性差值大于1.7, CdS的RS相以离子晶体存在. WZ相的C₄₄随压强增加呈下降趋势, 导致WZ相力学不稳定, 并向RS相转变.当压强大于2.18 GPa时, RS相C₁₁, C₁₂随压强增加而增大, 并且C₄₄保持稳定, 说明RS相具有良好的高压稳定性与力学性能. 关键词： 第一性原理 相变 电子结构 弹性性质     

高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbm的α-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mnc的β-MgN8相和空间群为Cmcm的γ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。