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超硬材料国家重点实验室在超高压研究方面取得

发布日期:2020-07-07 14:12 作者:亚美ag旗舰下载

  超硬材料国家重点实验室与德国马普所等科学家合作,在高压下碱金属钠的结构相变研究上取得突破性进展,发现金属钠在200万大气压转变为“透明”的宽带隙绝缘体。这一成果发表在3月12日最新一期的Nature杂志上,超硬材料国家重点实验室是第一作者和通讯作者单位。

  学术界一直认为:高压可以有效缩短材料的原子间距,导致材料的价带和导带展宽,进而使绝缘体(或半导体)的价带和导带发生重叠,发生绝缘体--金属相变,或使金属的价带和导带重叠程度进一步增大。超硬材料实验室马琰铭教授及其合作者发现,金属钠在高压下竟然转变为宽带隙绝缘体,这一发现对经典高压理论提出了挑战,为高压理论的进一步发展带来了契机。

  马琰铭教授从理论上预言:碱金属钠在超高压下将转变为宽带隙的绝缘体,绝缘体钠具有简单而独特的晶体结构——c轴高度压缩的双六角密堆结构。这是第一次在元素单质中发现这种结构。通常,碱金属在高压下会发生电荷转移。锂的s电子转移到了p轨道, 钾,铷和铯的s电子转移到了d轨道,而钠的电荷转移非常特殊,其s电子却转移到了p和d轨道,p和d电子的杂化形成了钠的双六角密堆晶体结构。令人惊奇的是:绝缘体钠的芯电子云之间发生了高度交叠,钠原子的所有价电子受芯电子排斥而高度局域在晶格间隙之中,这些在间隙中“冻结”的价电子完全失去了自由电子的特性,使金属钠变成了绝缘体钠。绝缘体钠的电子特性与最近发现的新型电子化合物Electride非常相似,阳离子钠处于晶格的格点上,晶格间隙中高度局域的价电子扮演着阴离子的角色。此时芯电子对原子间化学成键产生了重要影响,从而导致了反常的压致金属--绝缘体相变。

  合作者德国Eremets教授课题组利用高压原位光学测量、高压同步辐射X射线衍射和高压拉曼实验证实了马琰铭教授理论预言的金属—绝缘体相变。


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