理论预言晶体结构研究获得进展

凝聚态物质内部的原子堆垛方式，即晶体（或非晶）结构，是深入理解物质的各种物理性质的重要信息。通过X-光衍射方法来确定晶体结构的实验技术已经相对完善。只要实验采集到的X-光衍射谱足够好，原则上就可以利用Rietveld Refinement技术来确定晶体结构。但实验测量往往受到样品的纯度、衍射信号强弱、实验条件不足等限制，特别是在某些极端条件下（比如，高压），实验确定晶体结构仍面临着困难。此时，有必要通过理论方法来确定晶体结构。但是，只给定化学组分就从理论上确定晶体结构一直是物理界的难题。1988年《自然》杂志社的主编John Maddox曾在《自然》期刊上发表社论说：“物理学的重要挑战之一是只根据化学组分来确定晶体结构”。最近几年，随着基因算法和随机搜索算法等方法的发展和改进，仅根据化学组分就从理论上确定晶体结构（特别是对小体系,如小于30个原子/原胞）的研究已经获得了很多进展。近期，吉林大学超硬材料国家重点实验室的马琰铭教授研究小组，基于晶体对称性的分类检索思想，结合粒子群多目标优化算法，独立发展了新的晶体结构预测理论技术[参见Wang 等人, Physical Review B 82, 094116 (2010)]，在此基础上开发了拥有自主知识产权的晶体结构预测程序（CALYPSO软件包，网址：http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/calypso.html），受中国版权局的计算机软件著作权保护，登记号：2010SR028200。CALYPSO软件包的输入量是化学组分和外界条件（如压力），通过总能的计算来合理确定晶体结构，并可以根据需要进行功能材料（如超硬材料等）的结构设计。CALYPSO软件包对学术研究免费开放，现已经被国内外近40个研究单位使用。最近，利用CALYPSO晶体结构预测技术，马琰铭教授研究组在确定单质锂的高压半导体相的晶体结构研究上获得了重要进展。作为高压研究的模型体系，单质锂在高压下的相变极为复杂，其高压下的结构问题一直是高压研究的焦点。自从2002年实验发现单质锂在60万大气压以上存在新的高压相以来，科学家们就开展了深入的理论和实验研究。但由于理论技术和实验条件的限制，新的高压相的结构一直没有得到解决。2009年3月，日本科学家在《自然》期刊上发表了单质锂的高压电学测量结果，令人意想不到的是，单质锂的新的高压相竟然是半导体，这更加激发了人们对其结构的研究热潮。随后，国外几个研究小组分别利用近几年发展起来的基因算法和随机搜索算法等晶体结构预测技术模拟了锂的半导体相，但研究结果争议很大。最近，马琰铭教授研究组利用自主研发的基于粒子群优化算法的CALYPSO晶体结构预测程序预言了一个晶体学单胞内含有40个原子的复杂底心正交Aba2-40结构（Pearson符号, oC40）。该结构的能量远远低于前期基因算法和随机搜索算法所获得的结构。oC40结构中，锂的价电子由于受到芯电子的排斥完全局域到晶格间隙之中，失去了自由电子的特性，金属锂变成了半导体，研究成果发表于2011年1月7日出版的《物理评论快报》（Physical Review Letter）上。两天后，英国爱丁堡大学的Guillaume等人在2011年1月9日出版的《自然—物理学》中，独立报道了高压单晶X-射线衍射实验的数据，实验发现锂的高压半导体相的确具有oC40结构。英国爱丁堡大学的Margues等人随后在2011年3月4日出版的《物理评论快报》上发表了实验和理论相结合确定oC40结构的文章，进一步支持了马琰铭教授等人的理论预言。晶体结构预测CALYPSO软件包的开发及单质锂的高压半导体结构的研究都是由吉林大学超硬材料国家重点实验室独立完成，并得到了国家自然科学基金委的资助。（来源：吉林大学超硬材料国家重点实验室）