超高压下凝聚态物质的若干前沿问题

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1、项目名称：超高压下凝聚态物质的若干前沿问题首席科学家：崔田吉林大学起止年限：2005.12至2010.11依托部门：教育部一、研究内容高压会引发众多常压下难以观察到的新奇物理现象，对于丰富和发展凝聚态理论具有特殊的优势；高压下物质呈现众多的新结构和新性质，是发现和截获具有新颖性质的新型材料的重要源泉。本项目将研究具有重大科学意义的超高压下凝聚态物质的若干前沿问题。主要研究内容包括：1）高压下凝聚体系中分子的键合与解离，2）高压下强关联体系中d电子的行为，3）高压下凝聚体系的电输运特性，4）高压下小尺寸体系的结构演化，5）高压新相的产生与截获。拟解决两

2、个关键的科学问题：1）若干典型凝聚态物质在超高压下新的原子空间分布和新的电子状态以及微观相互作用规律，2）超高压下物质结构与性质演化过程以及特殊高压相的截获方法。特别注意发现常规条件下不能发现的新现象、新效应，提出新概念，发展新理论；为制备出常规条件下无法制备的新物质和新材料提供科学依据。紧紧围绕关键科学问题，从单组元到多组元、从常规体系到强关联体系、从小尺寸到大尺寸体系，选择具有代表性、倍受关注的物质体系作为研究对象，具体进行以下几个方面工作：1）超高压下典型分子固体中分子解离过程以及物理性质的认识在令世人瞩目的科学问题－金属氢的研究进程当中，发现

3、了多种固态分子氢的新奇的高压相以及相变，在静高压实验中已经出现了金属氢产生的迹象。但高压在氢分子解离过程中的作用始终没能得到清楚的认识。由于其它类似的双原子分子晶体中分子间原子的键合要比氢分子弱得多，更容易弄清这些体系中分子感受到的压力效应，对于认识解离过程中压力对原子间的电荷转移、电子轨道变化、自旋的作用、声子行为的作用等微观机制，有重要的科学意义，还有望对金属氢的研究提供新的物理图象和指导。本课题首先选择典型的双原子分子固体，研究压致分子解离的微观机制。其次，在一些典型的多原子分子固体的高压研究中，同样发现了压致分子解离的现象，是研究分子解离的微

4、观机制以及宏观性质来源的理想体系。本课题的另一个研究内容就是选择典型的含氢分子体系，如冰、SnH4、GeH4，研究多原子分子的压致解离机制，以及氢的子体系的微观状态随压力的变化规律，探索在化合物中氢的子体系微观状态的变化可能带来的奇异的宏观性质，如量子流体、超离子状态等等。在此基础之上，研究压力以及其它外界条件对固态分子氢体系的作用，探索高压下可能产生金属氢的新途径。本课题还对深入认识凝聚态物质的电子状态、原子价态、原子间键合以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律，有重要的意义。为创造新型能源材料，以及对新材料合成中的基本问题的理解提供理论支持。2

5、）超高压下新型3d族强关联体系微观相互作用规律的认识以过渡族金属化合物为代表的新型凝聚态体系，由于存在化学键的多样性、d电子的自旋－轨道的交互作用及电子强关联性，拥有丰富的物理现象。由基态为Mott绝缘体衍生的过渡金属化合物中的窄带金属、高温超导、超巨磁阻等现象成为当今凝聚态物理最活跃的前沿领域，是传统的能带理论和概念所不能解释的，对它们的研究正在揭示出凝聚态物理新图像。高压对这类体系的研究发挥着重要的作用。高压提供的独特的热力学条件为研究相关结构及其物理问题提供了新一维空间，如高压可以驱动绝缘体与金属间的相变，许多由温度和组分调控的物理性质具有非常

6、明显的压力效应；类钙钛矿结构是许多过渡金属化合物的结构形态，而高压易于合成具有类钙钛矿结构的致密物质；化学变价是过渡金属化合物的主要特征，而压力则可在相当程度上影响原子外壳层电子分布和转移。在高压下不仅合成了一系列新型钙钛矿化合物，原位加压更获得了164K的超导临界转变温度的最高记录。这些通常多依赖于温度和化学组分的物理现象若加以显著的压力因素，将产生全然不同的临界关系，其中有丰富的量子力学问题需要研究。本课题将研究新型3d族强关联体系，深入认识高压下强关联体系中d电子的行为以及微观相互作用规律，在原子尺度上揭示异类原子间的反应机制、电子和原子转移规

7、律以及化合作用，阐明高压新一维度中强关联体系化合物磁性、电性、超导、结构、临界特性等一系列现象的物理机制。3）超高压下小尺寸体系的结构演化及其物理性质的研究当凝聚态体系变小到纳米尺度时，显示出与常规体系迥异的结构和物理效应，如量子尺寸效应、量子限域效应等，导致许多新概念的引入和新规律的发现，是凝聚态物理十分活跃的的前沿研究领域。为了控制纳米体系独特的物理性质，控制尺寸和维度是关键，它们决定着体系的原子结构以及相应的电子状态。利用高压对结构、尺寸、维度的调制作用，能够从一崭新的角度研究纳米材料的结构演化与物理性质的变化。“零维纳米球”C60在高压下会聚

8、合，键合成二聚物、一维链、二维层状、三维全方向等多种不同的聚合新结构，并显示出奇异的物理性质，比如，二维聚合