伯克利實驗室分子鑄造廠的研究人員利用NERSC進行尖端理論計算，預(yù)測了鋰的迷人的新特性。鋰是一種輕堿金屬，在高壓下具有不同尋常的物理狀態(tài)，20年來一直吸引著科學(xué)家。

伯克利實驗室的研究生研究助理、發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的這項研究第一作者斯蒂芬妮麥克(Stephanie Mack)說：在標準條件下，鋰是一種簡單的金屬，可以形成標準的晶體。然而，科學(xué)家們已經(jīng)證明，當你把鋰晶體置于壓力之下時，其原子結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。

而且有些與直覺相反，它的導(dǎo)電性會下降，變得不那么金屬化，發(fā)現(xiàn)它也會變成拓撲結(jié)構(gòu)，具有類似石墨烯的電子特性。拓撲材料是新發(fā)現(xiàn)的一類固體，具有奇異特性，例如具有絕緣的內(nèi)部，但具有高導(dǎo)電性的表面，即使在變形時也是如此。研究人員對下一代電子和量子信息科學(xué)的潛在應(yīng)用感到興奮。根據(jù)合著者辛尼德·格里芬和杰夫·尼頓的研究，鋰在高壓力下會變成拓撲結(jié)構(gòu)，但實驗上是可以實現(xiàn)的，相當于地球中心壓力的四分之一。迄今為止，大多數(shù)經(jīng)過實驗驗證的拓撲材料都含有重元素、潛在有毒的元素。

但是已經(jīng)預(yù)測到，鋰，表面上是一種簡單的金屬，也可以有這些獨特的性能。鋰是環(huán)境條件下一種典型的簡單金屬，在壓力下具有驚人的豐富的相圖，具有對稱性降低、配位數(shù)低、甚至隨著密度增加具有半導(dǎo)體特性的幾種結(jié)構(gòu)。利用第一性原理計算，研究人員證明了一些預(yù)測的Li元素高壓相也具有拓撲電子結(jié)構(gòu)。從80 GPa開始，隨著過渡到之前預(yù)測的Pbca相，發(fā)現(xiàn)Li是Dirac節(jié)點線的半金屬。進一步計算，Li在隨后預(yù)測的高壓相中保留了費米能量附近的線性色散能帶。

并且在220 GPa時，兩個Cmca相之間存在Lifshitz躍遷。當Fd3ˉm相位達到500 GPa時，就會形成彎曲的蜂窩狀層，使得Dirac在費米能量下方穿過1ev。這些相中費米能級附近孤立的拓撲節(jié)點是由于費米能級p軌道特性隨密度的增加而增加，而費米能級本身是1s核波函數(shù)重疊增加的結(jié)果，并且在這些壓力下晶體結(jié)構(gòu)中偏愛非對稱對稱。研究結(jié)果證明，在壓力作用下，具有輕元素，甚至是純元素系統(tǒng)的三維體材料，可以發(fā)生相變，在費米能級附近具有非平凡拓撲性質(zhì)的相變，并具有可測量的結(jié)果

博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

參考期刊《美國國家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1821533116

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