基于機器學習的晶體結(jié)構(gòu)搜索方法和第一性原理計算

近日，南京大學物理學院孫建教授等，與英國劍橋大學、愛丁堡大學的研究人員合作，利用晶體結(jié)構(gòu)搜索和第一性原理分子動力學模擬等方法，預言氦和甲烷在高壓下可形成穩(wěn)定化合物，并發(fā)現(xiàn)該化合物在高溫高壓極端條件下會出現(xiàn)新奇的塑晶態(tài)與超離子態(tài)共存的現(xiàn)象。

天王星和海王星等冰巨星的大氣主要由氫氣和氦氣組成，而在大氣層下，其行星地幔主要由水、氨和甲烷等物質(zhì)構(gòu)成，稱為積冰層。氦是自然界中最惰性的元素，常壓情況下很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應，而甲烷是一種典型的疏水性分子，相互之間不會形成氫鍵，研究氦和甲烷是否會在高壓下通過純粹的范德華相互作用發(fā)生反應而形成新的化合物是一個非常基礎(chǔ)的科學問題，并且對于理解冰巨星內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著重要意義。

孫建教授課題組用自行開發(fā)的基于機器學習的晶體結(jié)構(gòu)搜索方法和第一性原理計算，對氦和甲烷在高壓下的化合物，以及它們在高溫高壓下的物態(tài)進行了系統(tǒng)研究，得到了一系列令人驚奇的理論結(jié)果。他們預言，在高壓下，氦和甲烷能形成氦-甲烷比例為 3:1的穩(wěn)定化合物He3CH4。

隨后，他們用第一性原理分子動力學詳細研究了氦-甲烷化合物在高溫高壓下的動力學行為，并構(gòu)建了氦-甲烷化合物的壓強-溫度相圖。

圖：在不同溫度下，He3CH4晶體中碳原子（紅色），氫原子（藍色）和氦原子（湖藍色）的運動行為。（a-c）均方位移反應原子的運動方式。（d-f）各種原子在不同溫度的運動軌跡。為了方便顯示，（f）中不包含氫原子軌跡。

他們發(fā)現(xiàn)，在150GPa左右的動力學模擬中：

在較低溫度下，He3CH4化合物保持固態(tài)晶格（如圖（a）（d）所示）；

當溫度升高到1900 K時，氦原子仍然保持著固態(tài)的晶格結(jié)構(gòu)，但甲烷分子已經(jīng)開始繞著分子中的碳原子自由旋轉(zhuǎn)（如圖（b）（e）所示），這個相被稱為塑晶相；

當溫度升高到2350 K時，甲烷仍處于塑晶態(tài)，但是氦原子開始擴散（如圖（c）（f）所示），如同一種由中性原子構(gòu)成的超離子態(tài)，形成了新奇的塑晶態(tài)甲烷和超離子態(tài)氦的共存狀態(tài)，這是一種以前從沒有發(fā)現(xiàn)過的新奇物態(tài)。另外，氦的插入改變了甲烷原有的堆疊方式，而且提高了甲烷聚合的壓強。

上述研究成果以“Coexistence of plastic and partially diffusive phases in a helium-methane compound”為題，發(fā)表在《國家科學評論》（National Science Review 2020， DOI： 10.1093/nsr/nwaa064）。隨后，中國科學院和美國科學院外籍院士、意大利著名物理學家Erio Tosatti教授為本文撰寫了亮點評論文章（National Science Review 2020， DOI： 10.1093/nsr/nwaa121 ）。

該論文的第一作者高豪為孫建教授課題組博士生，孫建教授為通訊作者，王慧田教授和邢定鈺院士深入指導，英國愛丁堡大學Andreas Hermann教授，劍橋大學Richard Needs教授和Chris Pickard教授共同參與了研究。該項研究是人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心和微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室的最新成果，得到了科技部重點研發(fā)計劃，國家自然基金，中央高校科研業(yè)務費等經(jīng)費的支持。

值得一提的是，孫建教授課題組近期在行星物質(zhì)及其在極端條件下的新物態(tài)方面完成了一系列工作，發(fā)現(xiàn)氦與水、氨和甲烷會在高壓下反應生成新的化合物，并發(fā)現(xiàn)這類化合物在行星條件下可能出現(xiàn)超離子態(tài)、塑晶態(tài)及其共存態(tài)等新物態(tài)。（見相關(guān)鏈接）他們的理論預言預示著氦在高壓下可與很多物質(zhì)發(fā)生反應，具有豐富的化學和物理性質(zhì)，而且他們發(fā)現(xiàn)的新化合物的超離子態(tài)、塑晶態(tài)等動力學性質(zhì)也可能對行星的熱導和電導產(chǎn)生影響，進而影響行星的磁場、冷卻和內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化過程等諸多方面，也就意味著現(xiàn)有行星模型可能需要考慮更多的因素。
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