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1、项目名称：超高压下凝聚态物质的若干前沿问题 首席科学家：崔田吉林大学起止年限：2005.12至2010.11依托部门：教育部一、研究内容高压会引发众多常压下难以观察到的新奇物理现象，对于丰富和发展凝聚 态理论具有特殊的优势；高压下物质呈现众多的新结构和新性质，是发现和截获 具有新颖性质的新型材料的重要源泉。本项目将研究具有重大科学意义的超高压下凝聚态物质的若干前沿问题。 主要研究内容包括：1）高压下凝聚体系中分子的键合与解离，2）高压下强关联 体系中d电子的行为，3）高压下凝聚体系的电输运特性，4）高压下小尺寸体系 的结构演化，5）高压新相的产生与截获。拟解决两个关键的科学问题：1）若干 典型
2、凝聚态物质在超高压下新的原子空间分布和新的电子状态以及微观相互作 用规律，2）超高压下物质结构与性质演化过程以及特殊高压相的截获方法。特 别注意发现常规条件下不能发现的新现象、新效应，提出新概念，发展新理论； 为制备出常规条件下无法制备的新物质和新材料提供科学依据。紧紧围绕关键科 学问题，从单组元到多组元、从常规体系到强关联体系、从小尺寸到大尺寸体系， 选择具有代表性、倍受关注的物质体系作为研究对象，具体进行以下几个方面工 作：1）超高压下典型分子固体中分子解离过程以及物理性质的认识在令世人瞩目的科学问题一金属氢的研究进程当中，发现了多种固态分子 氢的新奇的高压相以及相变，在静高压实验中已经出
3、现了金属氢产生的迹象。但 高压在氢分子解离过程中的作用始终没能得到清楚的认识。由于其它类似的双原 子分子晶体中分子间原子的键合要比氢分子弱得多，更容易弄清这些体系中分子 感受到的压力效应，对于认识解离过程中压力对原子间的电荷转移、电子轨道变 化、自旋的作用、声子行为的作用等微观机制，有重要的科学意义，还有望对金 属氢的研究提供新的物理图象和指导。本课题首先选择典型的双原子分子固体， 研究压致分子解离的微观机制。其次，在一些典型的多原子分子固体的高压研究 中，同样发现了压致分子解离的现象，是研究分子解离的微观机制以及宏观性质 来源的理想体系。本课题的另一个研究内容就是选择典型的含氢分子体系，如冰
4、、 SnH4、GeH4，研究多原子分子的压致解离机制，以及氢的子体系的微观状态随 压力的变化规律，探索在化合物中氢的子体系微观状态的变化可能带来的奇异的 宏观性质，如量子流体、超离子状态等等。在此基础之上，研究压力以及其它外 界条件对固态分子氢体系的作用，探索高压下可能产生金属氢的新途径。本课题还对深入认识凝聚态物质的电子状态、原子价态、原子间键合以及力 学、电学及光学性质随压力的变化规律，有重要的意义。为创造新型能源材料， 以及对新材料合成中的基本问题的理解提供理论支持。2）超高压下新型3d族强关联体系微观相互作用规律的认识以过渡族金属化合物为代表的新型凝聚态体系，由于存在化学键的多样性、
5、d电子的自旋一轨道的交互作用及电子强关联性，拥有丰富的物理现象。由基态 为Mott绝缘体衍生的过渡金属化合物中的窄带金属、高温超导、超巨磁阻等现 象成为当今凝聚态物理最活跃的前沿领域，是传统的能带理论和概念所不能解释 的，对它们的研究正在揭示出凝聚态物理新图像。高压对这类体系的研究发挥着 重要的作用。高压提供的独特的热力学条件为研究相关结构及其物理问题提供了 新一维空间，如高压可以驱动绝缘体与金属间的相变，许多由温度和组分调控的 物理性质具有非常明显的压力效应;类钙钛矿结构是许多过渡金属化合物的结构 形态，而高压易于合成具有类钙钛矿结构的致密物质；化学变价是过渡金属化合 物的主要特征，而压力则
6、可在相当程度上影响原子外壳层电子分布和转移。在高 压下不仅合成了一系列新型钙钛矿化合物，原位加压更获得了 164K的超导临界 转变温度的最高记录。这些通常多依赖于温度和化学组分的物理现象若加以显著 的压力因素，将产生全然不同的临界关系，其中有丰富的量子力学问题需要研究。本课题将研究新型3d族强关联体系，深入认识高压下强关联体系中d电子 的行为以及微观相互作用规律，在原子尺度上揭示异类原子间的反应机制、电子 和原子转移规律以及化合作用，阐明高压新一维度中强关联体系化合物磁性、电 性、超导、结构、临界特性等一系列现象的物理机制。3）超高压下小尺寸体系的结构演化及其物理性质的研究当凝聚态体系变小到纳
7、米尺度时，显示出与常规体系迥异的结构和物理效 应，如量子尺寸效应、量子限域效应等，导致许多新概念的引入和新规律的发现， 是凝聚态物理十分活跃的的前沿研究领域。为了控制纳米体系独特的物理性质，控制尺寸和维度是关键，它们决定着体 系的原子结构以及相应的电子状态。利用高压对结构、尺寸、维度的调制作用， 能够从一崭新的角度研究纳米材料的结构演化与物理性质的变化。“零维纳米球”C”在高压下会聚合，键合成二聚物、一维链、二维层状、三维全方向等多种不 6U同的聚合新结构，并显示出奇异的物理性质，比如，二维聚合的纯C60具有磁性。 高压下纳米材料的研究，不仅可以深入认识纳米材料的物理本质，还能够发现新 奇的结
8、构，为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了一个重要源泉。在纳米领域中，获得尺寸和维度严格一致、结构均一的纳米材料一直是一大 难题。由于尺寸、维度的差异，常常使得不同研究小组，甚至同一小组不同次实 验的研究结果差异大，而且所研究的往往是大面积或大量纳米个体性能的平均结 果。单个纳米体系奇特的结构与物性往往被掩盖，极大地阻碍了对纳米体系规律 性的认识。最明显的例子是单壁碳纳米管，目前尚无法得到单一结构的碳管，由 于其结构与直径、螺旋度等密切相关，许多基本物理规律，如量子输运、高体弹 模量、相图等等的认识还不够深入。高压为解决这一难题提供了十分有效的途径， 由于可以连续改变材料的尺寸，进而改变其
9、结构，开展高压下单个纳米体系变化 过程的原位研究，将使人们更清晰地认识纳米材料中的普适性规律，高压将起到 其它手段难以替代的作用。目前，国际上相关研究才刚刚开始，对更为深入的包括电子态以及相关物理 性质的研究鲜有报道。本课题将针对准一维纳米体系，开展高压下单根/单束纳 米体系的结构演化过程和物理性质的研究，深入认识纳米尺度下的压致结构变 化，揭示纳米尺度下的键合规律、压致相变的物理机制。本课题的研究还对深入 认识小尺寸体系的电子状态、原子间键合以及力学、电学及光学性质随压力的变 化规律，有重要的意义，为创造新型纳米材料提供科学依据和理论指导。4）超高压下II-VI族化合物的输运过程高压下电子会
10、经历局域化一非局域化的转变，也能从非关联到强关联。高压 下原子电子间的各种相互作用交织在一起，产生众多新的现象和新的规律。高压 下物质电输运性质的研究，能够揭示原子间以及原子内部不同轨道电子间的相互 作用规律，是其它手段难以替代的，也是检验、完善和发展凝聚态电输运理论的 重要方法。高压下与电输运相关的物理量作为物质高压下状态和性质的重要标 度，也是研究高温高压下动态过程所必需的物理参数。在处理高压下的物理问题时，由于许多常压下使用的模型和近似失效，致使 高压下获得的实验规律无法得到合理解释。如：常压下碱金属电导率与温度之间 遵从的布洛赫一格林内森定律，在高压下就无法得到令人信服的结果。此外，高
11、 压下电子的定域化一非定域化、非超导体一超导体、非磁性一磁性等一些转变过 程，也与常压下的理论预言相悖。因此需要采用新的近似，构建新的高压模型。高压下原位测量电输运过程中的物理量非常困难，对技术要求非常苛刻，致 使相应的研究还未真正系统地展开。近年来，金刚石对顶砧上微区测量电路集成 和绝缘隔层技术取得了长足进展，基于集成理念的电导率、阻抗谱以及霍尔效应 等测量技术相继取得突破，高压下电导率、载流子浓度、迁移率和极化率等物理 量的原位测量得以实现，进行高压下电输运性质的创新研究条件已经具备。高压下原位电输运性质研究的关键科学问题是获得准确的物理量变化规律 和物理量之间的定量联系。本课题将以物理现
12、象丰富的II-VI族化合物为对象， 利用我们自己发展的高压下原位电阻率、霍尔效应、阻抗谱测量技术，系统深入 地研究高压下不同温度和电磁场环境中化合物的电输运过程以及相关物理量的 变化规律，揭示高压下电输运过程的物理本质，丰富和发展现有电输运理论。5）轻元素化合物体系中超高压新相的产生与新物质的合成轻元素化合物体系中蕴含着丰富的高压相，这些高压相多具有优异的力学、 电学、光学等物理性质，是发现超硬多功能材料的重要来源。在轻元素硼-碳-氮 化合物中寻找超硬高压相材料，同时揭示这些超硬材料新的功能性质，实现理论 设计和人工合成，一直是令人关注的问题。最基本的物理问题是体系中有哪些高 压稳定相，各种相
13、之间的结构如何变化以及各相具有哪些物理性质等等。通过理 论计算，确定在一定外界压力、温度条件下的稳定组份及相应的晶体结构，在一 定的范围内建立该体系的多维相图，并预测新相的能带结构、态密度和物理性质， 建立某些宏观物理性质与理论可计算参数间的关系，为从该体系中筛选出性能优 异的新型功能材料提供理论依据。在实验上找到满足理论上所设计成分的反应 物，寻找合适的触媒，探索高温高压下宏观量合成这些高压相的实验方法，合成 出新型超硬多功能材料。这些新型轻元素高压相化合物的设计、合成与物性研究，既有帮助人们从 微观层次上认识该类功能材料，加深对材料结构与其性能之间关系更深刻的物理 理解等方面的科学意义，又
14、有潜在的应用背景。该领域的研究存在着许多机会与 挑战，目前国际上的相关研究刚刚起步，可望取得一系列重要的原创性研究成果。二、预期目标总体目标:争取在超高压下凝聚态物质研究领域做出若干重要原创性的工作，获得一 批国际水平的研究成果，初步形成我国有特色的高压科学研究体系，造就一支具 有创新思维的高压研究队伍，使中国高压研究的总体水平进入国际先进行列，在 活跃的国际高压界占有一席之地。五年预期目标：为完成总体目标，集中进行以下几个方面的研究工作：1）高压下凝聚体系 中分子的键合与解离，2）高压下强关联体系中d电子的行为，3）高压下凝聚体 系的电输运特性，4）高压下小尺寸体系的结构演化，5）高压新相的
15、产生与截获。揭示超高压下典型分子固体中分子解离的机制，探索可能的产生金属氢的 新途径；获得不同压力-温度-组分空间中，新型3d族强关联体系的结构特征， 揭示体系磁有序、轨道有序、电荷有序的基本规律；揭示高压下准一维纳米体系 的结构演化以及力学、电学等性质随压力的变化规律，总结在纳米尺度、空间受 限条件下压致分子聚合规律；揭示高压下II-VI族化合物的电输运特性的物理 机制，诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵，检验与发展已有 电输运模型。完成3d族（Cu基、Fe基、Mn基等）Mott有序化磁电新材料、3-5 种有代表性的新型硼-碳、碳-氮和硼-碳-氮超硬多功能晶体的高压合成，探索截
16、 获特殊高压相的新方法。预期的科学研究成果：拟在SCI收录的国内外著名学术刊物上发表论文300篇，撰写1-3部专著， 申报高水平的奖励3-5项，申请发明专利5-10项。同时培养高压领域的拔尖人才以及学术带头人，培养博士研究生50名、硕士研 究生100名。三、研究方案1）总体研究思路学术思路本项目突出创新，注重发现新现象、新物质，创建新理论，形成有特色的 高压科学研究体系。选择有重大科学意义的若干国际高压科学前沿基础问题作为 研究的重点，集成优势，实行跨领域的紧密合作，紧紧围绕超高压下凝聚态物质结构与性质变化规律这一核心课题，从构建研究体系入手，本着从单组元到多组元、从常规体系到强关联体系、从小尺寸到大尺寸体系的原则，选择具有代表性、 倍受关注的物质体系作为研究对象，确定高压相结构，建立高压相之间的联系， 获得超高压下的相变过程与规律。利用超高压下原位测量实验和高压理论，利用 我们自己独特的研究思路，深入认识凝聚态物质在超
