💡这项突破是什么?
南京大学物理学院孙建教授课题组预言兼有超导和超离子态性质的锂-铝化合物。他们通过第一性原理计算和机器学习分子动力学模拟，在高压下发现了锂-铝化合物中一系列新的稳定结构，这些结构具有层状几何特征，即——Al和Li原子以不同的组合方式排列在同一平面上，进而堆叠形成三维结构。
图1：(a,b)锂-铝二元相图. (c) C2/m Li6Al. (d)-(e) C2/m Li6Al和Cmcm Li3Al 的层状几何结构. (f) I4/mmm Li2Al。
进一步，通过计算新预测结构的电子结构和电声耦合性质，他们发现（i）在I4/mmm Li2Al和I4/mmm Li3Al2这两种化合物中，价带底部的态密度具有引人注目的阶梯状形状，这与二维电子气的态密度具有相似的特征，表明了电子结构的降维；（ii）Li3Al、Li4Al和Li6Al这些化合物中的价电子有一部分局域在晶格间隙位置并且包裹住Al原子，可被视为电子化合物（electride）；（iii）新预测的Li6Al在150GPa下的超导温度约为29K。他们发现其相对较高的超导转变温度可归因于归因于锂-铝原子间强耦合效应，声子软化，费米能级处电子态密度增加这三个因素的协同作用。
图2： (a) I4/mmm Li2Al在50 GPa的态密度.(b) C2/m Li6Al在100 GPa的电子局域函数.(c) C2/m Li6Al在150 GPa的声子色散、投影声子态密度以及积分电声耦合参数。
最后，他们用自己参与开发的机器学习分子动力学方法GPUMD【Fan et al., J. Chem. Phys. 157, 114801 536 (2022)】详细研究了Li6Al在高温高压下的动力学行为，并构建了温度压强相图。模拟结果表明，随着温度升高，Li6Al有从固态到超离子态再到液态的相变，其中超离子态表现为铝原子在晶格位置附近振动，保持固体行为，而锂原子则可以像液体一样在整个晶格中自由扩散。我们的计算表明Li6Al是一种高压电子化合物，其中Li的部分价电子局域在间隙空间并包围了Al原子形成独特的球壳状。通过计算超离子态的电子环境，我们发现锂在高温下没有改变其阳离子特性，因为它们的扩散只发生在被电子包围的开放管道中，其中四个锂原子在球壳状电子化合物上方的开放空间中以环机制扩散旋转，我们可以将其视为一种由电子化合物性质保护的超离子态。这种由电子性质引起的原子协同运动以前也被孙建教授等人在金属钙的高压相中发现过【Phys. Rev. X 11, 011006 (2021)】。
图3：机器学习力场模拟 C2/m Li6Al在150 GPa时的动力学行为显示明显的原子集体扩散（环机制）。
这项工作发现，超导和超离子这两种不同质量粒子的新奇动力学特性可以出现在高压稳定的锂-铝合金这同一个体系中，并发现这个体系还有电子态的降维和局域等新奇性质。该研究成果极大地丰富了我们对高压下的合金体系的认识，并有望指导未来的高压实验研究。
相关研究成果以“Pressure stabilized Lithium-Aluminum compounds with both superconducting and superionic behaviors”为题，于2022年12月9日发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letter》上。【Phys. Rev. Lett. 129, 246403 (2022). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.246403】。南京大学物理学院孙建教授课题组博士生王晓梦（今年刚毕业，已入职宁夏大学物理与电子电气工程学院）、王勇为文章共同第一作者，孙建教授为通讯作者，物理学院邢定钰院士和王慧田教授深入指导，孙建教授课题组博士生王俊杰，潘书宁，鲁清等人共同参与了研究。该项研究得到了南京人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室的支持，得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、中央高校基本业务费、南京大学卓越研究计划等经费的资助。相关计算工作主要在南京微结构协同创新中心高性能计算中心、南京大学高性能计算中心等超级计算机上进行。
文章链接:
Xiaomeng Wang, Yong Wang,Junjie Wang, Shuning Pan, Qing Lu, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun*,Pressure stabilized Lithium-Aluminum compounds with both superconducting and superionic behaviors, Phys. Rev. Lett.129, 246403 (2022). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.246403
