稀土三氢化物高压下的金属-绝缘体相变与超导相变研究

The research objects of the project are rare-earth trihydridies ReH3(Re=Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Lu)which contain strongly located 4f electronics,we are going to focus our work and research on their metal-insulator phase transitions and supercondoucting phase transitions under pressure. The strongly correlated effect of 4f electronics are considered via LDA+U, HSE03+U, and so on;based on these caculations,we will adopt many-body perturbation theory-GW method to correct kohn-sham equation,so that the conventional problem that band gap cann't be opened or is underestimated seriously is to be solved;furtherly, the effects of the magnetic states,different strongly located 4f electronics,different sites H defects and H defects concentration on the origin of band gap, metal-insulator phase transition and other physics properties about lanthanide trihydridies will be explored. The other way is to combine dynamical mean field theory (DMFT) with electronic structural calculations based on density founction approximation,the local correlation effect will be described by dynamical mean field theoy(DMFT);the energy,electronic structure, spectral founction will be caculated via LDA+DMFT, the results will be compared and analyzed with the results of first-principles caculations or experiments. The studies of supercondoucting phase transition temperatures of these rare-earth trihydridies under pressure will be carried out by density functional linear-response theory， their superconducting behaviors and supercondoucting phase tansition law will be explored and discussed.

本项目以含强局域4f电子的稀土三氢化物ReH3（Re=Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Lu)为研究对象，对它们高压下的金属-绝缘体相变与超导相变开展研究工作。通过LDA+U，HSE03+U等来处理4f电子的强关联效应，在这基础上采用多体微扰理论GW方法对kohn-sham 方程进行修正，以解决常规DFT计算带隙被严重低估甚至不能打开的问题，进而探索稀土三氢化物磁态、不同的强局域f电子、不同位置的氢缺陷与氢缺陷浓度对带隙起源、金属-绝缘体相变及其它物理性质的影响。另一途径是基于密度泛函理论的动力学平均场理论(DFT+DMFT），在DMFT部分来实现f电子的强相关效应，采用LDA+DMFT计算稀土三氢化物的能量，电子结构，光谱函数等, 并与第一性原理计算的结果及实验进行比较分析。高压超导相变温度研究，将采用最主流的密度泛函线性微扰理论（DPFT），以探究这些化合物在压强下的超导行为及规律。

稀土氢化物由于其潜在的光学开关应用及体系本身较强的理论研究价值引起了人们广泛的关注。 本项目以其中含4f电子的稀土三氢化物为研究对象，对其高压结构相变、金属-绝缘体相变变，高压超导相变等性质系统地开展了第一性原理理论研究，其中着重研究了以GdH3为代表的稀土三氢化物。六角结构GdH3的DFT计算呈现半导体特征，但带隙被严重低估；通过实验与理论光学带隙的比较，我们推测其基本带隙为1.55eV， 并在较宽的能量范围预言了其介电光谱，部分区域与实验基本相符。在压力作用下，该项目研究发现GdH3 跟随这样一个相变序列： AFM pc31 →AFM c2/m→FM c2/m →FM fcc→FM hcp →FM cmcm。该相变序列与不含f电子的YH3 十分相近，从而我们推测含4f电子的其它三氢化物，也可能遵从类似的相变序列。结合该相变序列，DFT电子结构计算表明，GdH3金属化压强靠近中间相结构到立方相的转变压，这一理论结果YH3的拉曼与可见光光谱实验间接支持。DFT框架下，立方GdH3呈现金属特征，与事实相悖。为了合理地探究激发态的性质及4f电子所扮演的角色， 在4f 核和4f 价的情形下，我们进行了基于多体理论的准粒子GW计算。在立方结构4f核的情形，G0W0计算打开了带隙，并获得1.72eV的基本带隙；而在压力作用下，G0W0计算表明立方结构的金属-绝缘体转变压大约为40 GPa，分析表明这些理论推测应接近真实情况。特别地， 在4f电子为价电子的情形，仅仅通过HSE+G0W0（GW0/GW）计算才能打开立方GdH3的带隙，其值约为2.75eV。在该进程，HSE杂化泛函合理地处理了4f电子的强关联效应，使得费米能级的4f电子态向高能方向移动，对带隙的打开起着决定性作用。所以，稀土三氢化物的带隙起源于电子，而不是结构，强关联效应，磁性等因素。另外，我们计算也表明，H或者Gd缺陷会极大地影响立方GdH3的电子结构，不能排除H束缚电子库伯对，并对电子结构产生重要影响。对稀土三氢化物的六角结构有相近但不完全相同的电子结构特征。高压下对稀土三氢化物REH3(RE= Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, Lu)的立方结构超导计算表明在其动力学稳定范围没有发现超导现象。