高密度氢的低温高压状态方程理论研究

Physical property of light elements such as hydrogen or helium at ultra-high pressures is a long standing scientific issue which attracts a lot of attentions. But due to the complicated quantum behavior of protons and electrons in dense hydrogen, our knowledge about this simplest element in the universe is still incomplete. In order to predict and control the behavior of hydrogen (or deuterium and tritium) precisely in weapon operations or in inertial confinement fusion reactors, it is essential to acquire a thorough and comprehensive understanding of high pressure properties of dense hydrogen. On the other hand, an accurate equation of state of this element at low-temperature and high-pressure has not been well established yet, partly due to the available investigations in this region are insufficient. However, this property increasingly becomes important and imperative nowadays. For this purpose, we propose to investigate the compression behavior of dense hydrogen up to 3 TPa within a temperature range at zero Kelvin and from 300 to 3000 K with first principles calculations in this project. Based on this we will attempt to establish a realistic model about solid structures and associated phase transitions of dense hydrogen. This project will advance our understanding of the thermodynamics of light elements under ultra-high pressures, and enable us to predict the variation of relevant mechanical properties along different loading path. The produced results may shed light on the physical mechanism of compressional response of dense hydrogen at low temperatures, and further promote our understanding about high-pressure behavior of light elements (especially hydrogen). Furthermore, it will provide the essential theoretical basis for developing a loading technique of coulping static-dynamic compressions.

氢和氦等轻元素材料的高压特性是一个长久以来被广泛关注的科学问题，但由于包含了极其复杂的量子现象，目前我们对自然界中这类简单材料的高压行为的理解仍然很欠缺。要在武器设计或新能源利用中精确控制氢（及其同位素氘和氚）的行为，对这些现象的深入理解不可或缺。由于氢的低温高压状态方程并没有被详细而充分地研究过，而这一性质的重要性日益突出，本项目将以第一原理方法为主要手段，研究高压下可靠的3 TPa 压力范围内高密度氢的零温及300 至3000 K温度范围内的压缩行为，建立描述氢的低温高压固体结构及相变的理论模型，增进对高压下轻元素材料的热力学性质的理解，预测并分析在高压加载下氢的相关力学性质的变化规律。本项目将进一步拓展对轻元素材料（特别是氢）的高压特性的理解，获得精确的氢的低温压缩响应特性，为开展轻元素材料的静压-动压联合加载实验提供理论基础。

氢的低温高压结构研究的意义非常重大，是一个人们长期感兴趣的重要基础研究课题和凝聚态物理中悬而未决的经典难题之一。本项目利用先进的第一原理方法，把压力扩展至7 TPa，通过发展并自主开发的路径积分分子动力学程序以及其它分析与统计方法，对高密度氢的结构、物性、相图与状态方程进行了系统研究，获得了开拓性认识，包括：（1）低温下发现大量低能结构和简并的基态结构，揭示了高密度氢平坦的势能曲面变化及很强的非谐振动的根源；（2）利用结构搜索和分子动力学相结合的方法发现了稳定或亚稳的三原子分子晶体和链状分子晶体相；（3）开展了固相间转变路径与势垒的一系列计算，证明目前所知的原子相的高密度氢均无法淬火到零压，回答了金属氢研究中的一个基本的科学问题；（4）发现基于低压实验数据的状态方程在高压区发生严重偏离，并提出了新的状态方程形式给予修正；（5）提出了路径积分的多层级抽样算法，独立开发了第一原理路径积分分子动力学程序；（6）在500至1500 GPa的金属氢中，发现相互作用的软化是有限的；（7）发现在500 GPa至1.5 TPa压力范围内，核的量子效应使熔化温度降至室温以下，为200~250 K左右；（8）证明在趋于基态时，固体氢是稳定的，并发现在真正熔化之前，它将转变进入一种各向异性的新颖物态，结合模型分析，揭示了这一奇异物相可以在保持长程有序的“晶体结构”的条件下具有大尺度、长距离的原子快速运动，我们称之为流动固体；（9）预测当压力大于2 TPa后氢的熔化温度将再次升高，并形成深“U”形状，并明确指出氢的这种复杂行为的根源在于压缩导致的s至p电子转移以及与之伴随的氢分子的离解。这些认识拓展和丰富了我们的视野和思路，获得的数据、知识和建立的物理图像对进一步理解氢及富氢化合物的高温高压行为非常关键，相关结果对天体物理和新能源利用以及凝聚态物理等领城有重要帮助，具有重要的科学价值和意义。