高压调控下的4f电子态研究

Owing to its unique magnetic, optical and electrical properties, rare earth elements have become essential for high-tech and military materials. Their unique properties are closely linked with their 4f electronic stats. However, we still do not have a complete understanding of 4f electronic behavior in rare earth metals. To this end, we apply the high-pressure to tune the 4f electronic stats, combined with the cutting-edge synchrotron spectroscopic methods and the state of art quantum multi-body theory calculations to explore the rare earth metals' (1) volume collapse phase transformation mechanism; (2) valence transition mechanism; (3) unconventional quantum critical phase transition. Because of these transitions greatly affect the physical properties of rare earth metals such as magnetism, light, and electricity, revealing the mechanism of these transitions provide a huge opportunity to promote the birth of new functional devices and new energy industries in term of the national strategies needs.

稀土金属元素因其特有的磁、光、电特性而成为高科技及军事材料的必备元素，其特性与4f电子结构紧密相联，但我们对稀土金属中4f电子行为尚缺乏完善的理解。因此，本申请通过高压调控4f电子结构，结合最新研发的同步辐射谱学技术和量子多体理论计算，探索稀土金属的：（1）体积坍塌相变机制；（2）价态转变机制；（3）非常规量子临界相变。基于这些相变都会极大地影响稀土金属的磁、光、电等物理特性，所以研究和揭示这些变化的机制，将为设计研制面向国家战略需求的量子演生新材料、促进新型功能器件诞生、推动新能源产业升级提供新机遇，也将为极端条件下凝聚态物理研究提出新的科学事实，开发新的研究技术。

稀土金属元素因其特有的磁、光、电特性而成为高科技及军事材料的必备元素，其特性与4f电子结构紧密相联，但我们对稀土金属中4f电子行为尚缺乏完善的理解。我们通过高压调控4f电子结构，结合最新研发的同步辐射发射谱学技术和量子多体理论计算，在探索稀土金属的体积坍塌相变机制以及价态转变机制等领域开展研究，获得了一些创新性成果，完成了预期目标。.压力下，由于缺乏对4f电子结构信息的直接探测，解释稀土材料中体积坍缩现象的理论模型仍然存在着很大的争议，因此对稀土材料中体积坍缩现象的认识仍然是一个重要的挑战。这里，我们选取具有代表性的元素铈（Ce）作为研究对象，首次借助高压非弹性共振x射线散射技术直接研究Ce金属，成功地探测到了Ce的未占据4f态在体积坍缩（0.8 GPa附近）过程中变化。为了解决安德森-近藤和哈伯德模型在Ce体积坍塌机制中的长期争议，我们结合扩展的原子多重态计算以及基于密度泛函理论的电子结构和Wannier-orbital计算，发现4f-5d近藤耦合的微小变化可以很好地描述体积坍缩过程中的光谱的重分布，而哈伯德模型中相邻原子间的杂化作用似乎不大。这些结果成功地为以前的理论提供了基准，并有助于确定Ce的体积坍缩机制。我们的研究首次提供了令人信服的实验证据，有助于约束理论模型，为系统地研究稀土材料的体积坍缩现象开辟了一条有希望的新途径。.Eu作为稀土家族的一个独特成员，半满的4f壳层，其是否与其他稀土金属类似，也会发生外层电子的重构以及价态的变化，一直是一个悬而未决的谜题。在本课题的研究过程中我们利用RXES研究了Eu在高压下的价态转变，最高实验压力150 GPa，并发现了Eu在80GPa附近发生了价态变化这一显著的科研成果。利用共振X射线发射散射和X射线衍射，我们对Eu中4f电子的状态进行了加压，并研究了其价态和结构转换，最高可达160GPa。我们发现，在约80万大气压的压缩下，Eu中也发生了明显的价态变化，而且价态转变恰好与Eu在相同压力下的晶体结构变化相吻合。结合CALYPSO晶体结构预测方法，他们发现Eu在80万大气压附近新的相变结构为Pnma（C2/c→Pnma），并提出Eu中这种电子重构归因于所谓的Promotional模型4f轨道的电子向5d导带的跃迁导致的结果，为研究稀土元素的价态变化提供了重要的实验依据和理论模型。