高压下镧与镨等典型镧系金属“液–液”相变的理论研究

The phase transitions of lanthanides under high temperatures and high pressures are of great interest to the condensed-matter community. Previous investigations have revealed a great deal of information on the behaviors of lanthanides under pressure, however, the liquid state has not been well studied. Recently, the liquid polymorphism of lanthanides has attracted much attention due to the unexpected discovery of the first-order liquid-liquid phase transition in cerium. Here, we propose a program to study the liquid polymorphism of lanthanum/ praseodymium by molecular dynamics in combination with the embedded atom method and first-principle calculations. More specifically, we will build data bases to record theoretical information (e.g. structure, total energy and force on atoms) of various structures in large phase space from first-principle calculations; generate accurate embedded-atom-method potentials; try to develop a new fitting method to generate suitable effective atomic interaction potential; study the possible first-order liquid-liquid transition and the underlying mechanism through molecular-dynamics simulations based on embedded-atom-method potentials. We anticipate that our results on lanthanum/praseodymium are helpful in studying the liquid polymorphism of other lanthanides and strong-correlated metals.

镧系金属的高温高压相变现象及其发生机制是凝聚态物理学领域的重要科学问题。虽然相关研究已经十分丰富，但是长期以来液相区却未被深入探索。直到最近，铈的一级液-液相变现象这个出人意料的发现使镧系金属的液体多型性问题变得备受关注。本项目拟基于分子动力学方法，结合原子嵌入势、第一性原理计算等方法对镧/镨的液体多型现象开展理论研究：通过第一性原理计算为镧/镨建立精确的理论参考数据库，记录它们在较大相空间内的结构、总能、原子受力信息；为镧/镨拟合出精确的原子嵌入势；探索适合镧/镨液-液相变研究的“复杂经验势拟合”新方法；基于原子嵌入势开展分子动力学模拟，探索镧/镨存在一级液-液相变现象的可能性并揭示相变机理。本项目的实施有望建立一个普适的研究方案，为进一步探索其它镧系金属等强关联金属体系的液-液相变行为提供理论支撑。

本项目点对点地执行了与中物院流体所（甲方）所签订《NSAF联合基金协议书》的各项条款。针对甲方的实际需求，研究聚焦于发展具有完全自主知识产权的经验势拟合新方法与软件。提出了遗传算法全局优化结合鲍威尔算法/共轭梯度算法局域优化的经验势拟合新思路，并开发了并行软件POTGOAL。以体系的第一原理总能/受力为参考，拟合EAM、MEAM及ADP经验势。精度相同时，POTGOAL的计算效率优于国外同类软件(例如：POTFIT)，各项技术指标达到甲方要求。软件使用说明书、算例及测试数据已经刻盘待查，软件移交后可以为甲方开展相关国防研究提供新的技术支撑。研究还发现基于DFT+U方法的第一原理计算可以准确复现镧/镨在高温高压相相变实验结果，进而构建了包含液体、晶体、团簇等多种局域结构的“结构-总能-原理受力”理论数据库。基于该数据库采用POTGOAL软件拟合了镧/镨的多种经验势，并开展了系统高压结构相变、高温熔化及高温高压液-液相变研究。所获高压相变序列与熔点与实验相符，然而，遗憾的是尽管开展了大量的高温高压分子动力学模拟，依然没能发现液-液相变的证据。相关研究结果已经全部分类刻盘，准备迎接甲方的终期验收。