2023年，注定是不平凡的一年！從本期開(kāi)始，我們將對(duì)理論與計(jì)算領(lǐng)域的大牛，對(duì)之前的成果工作進(jìn)行簡(jiǎn)單匯總，希望能夠?yàn)榭蒲泄ぷ髡邆兲峁┮恍┧悸芳跋敕ā?/p>

本期為2023版新版名人堂介紹，本期為第4期。

名人介紹

馬琰銘，男，于1972年9月生，2001年于吉林大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位，后赴加拿大科學(xué)院和瑞士蘇黎世高等工學(xué)院開(kāi)展博士后研究工作。唐敖慶特聘教授，博士生導(dǎo)師，"萬(wàn)人計(jì)劃"領(lǐng)軍人才 ，國(guó)家杰出青年基金 ，國(guó)家百千萬(wàn)人才工程 ，中國(guó)青年科技獎(jiǎng)，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，任中國(guó)核學(xué)會(huì)計(jì)算物理理事會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)高壓物理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、凝聚態(tài)計(jì)算專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)材料學(xué)會(huì)計(jì)算材料分會(huì)委員 ，任Comput Mater Sci期刊副主編，科學(xué)通報(bào)、科技導(dǎo)報(bào)、Sci Rep期刊編委。曾任吉林大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng) ?，F(xiàn)為吉林大學(xué)黨委常委，副校長(zhǎng) 。

馬琰銘博士長(zhǎng)期從事高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新效應(yīng)等方面的研究，獲得了若干新奇的高壓結(jié)構(gòu)相變，特別是馬琰銘博士首次發(fā)現(xiàn)了有違傳統(tǒng)高壓理論的新型高壓相變--金屬鈉在200萬(wàn)大氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)?#34;透明"的寬帶隙絕緣體，研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Nature》上、并入選2009年中國(guó)基礎(chǔ)研究十大新聞，被國(guó)際高壓著名科學(xué)家在Nature 和Nature Photonics 撰文焦點(diǎn)評(píng)述，被Science daily，Chemistry World 等科學(xué)媒體亮點(diǎn)宣傳，這一工作顛覆了以往學(xué)術(shù)界公認(rèn)的壓力將增強(qiáng)金屬導(dǎo)電能力的論斷，揭示了芯電子對(duì)原子間化學(xué)成鍵的重要影響是導(dǎo)致反常壓致金屬--絕緣體相變的原因，為高壓理論的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了契機(jī);馬琰銘博士還在高壓軟模相變和高壓相新型功能材料(如超導(dǎo)、熱電、超硬材料)的研究上獲得了重要進(jìn)展，多項(xiàng)研究成果發(fā)表在權(quán)威物理學(xué)刊物《Physical Review Letters》和《PNAS》上。

馬琰銘博士發(fā)展了晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)新技術(shù)，首次將粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用到晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域，發(fā)展了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)CALYPSO程序，該方法現(xiàn)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外幾十個(gè)研究單位得到推廣和使用。

鑒于推文字?jǐn)?shù)所限，同時(shí)馬教授2022年的發(fā)表文章眾多(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，包括4篇PRL、3篇JACS、2篇Nature Communications以及1篇PNAS等等)，不可能一一列舉，因此，我們只對(duì)其中的五篇進(jìn)行了闡述。其他文章，感興趣的同學(xué)可自行查閱馬琰銘老師的主頁(yè)http://mym.calypso.cn/mym.html

研究成果

1. JACS：鑭系/錒系極端超氫化物室溫以上超導(dǎo)性的預(yù)測(cè)

由于廣泛的基本興趣和誘人的潛在應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)一直是一項(xiàng)持久的科學(xué)追求。最近發(fā)現(xiàn)的高壓包合物超氫化物L(fēng)aH10，其超導(dǎo)臨界溫度(Tc)為250-260 K，使其非常接近實(shí)現(xiàn)這一長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。在此，為了解決這一挑戰(zhàn)，馬琰銘教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于先進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)搜索方法的一種新的極富氫包合物超氫化物MH18?(M:稀土/錒系原子)化學(xué)計(jì)量化合物的顯著發(fā)現(xiàn)，其穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)可達(dá)壓力為350 GPa。這些化合物預(yù)計(jì)能容納高達(dá)330 K的Tc，遠(yuǎn)高于室溫。這些MH18包合物超氫化物的鍵合和電子性質(zhì)非常類(lèi)似于原子金屬氫，從而產(chǎn)生了迄今為止在熱力學(xué)穩(wěn)定的氫化物化合物中發(fā)現(xiàn)的最高Tc。對(duì)這些極端超氫化物的深入研究，為解釋富氫和其他低Z-材料中聲子介導(dǎo)的室溫以上超導(dǎo)性提供了見(jiàn)解。

參考文獻(xiàn)：

Zhong, Xin, et al. "Prediction of above-room-temperature superconductivity in lanthanide/actinide extreme superhydrides."?Journal of the American Chemical Society?144.29 (2022): 13394-13400.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c05834

2.PRL：包合物氫化鈣的高溫超導(dǎo)相CaH6在172 GPa的壓力下達(dá)到215 K

近年來(lái)超導(dǎo)稀土和錒系超氫化物的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了高壓超導(dǎo)研究的新時(shí)代。這種獨(dú)特類(lèi)型的籠形金屬氫化物，最初是為堿土金屬氫化物CaH6提出的，然而，長(zhǎng)期以來(lái)一直未能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)合成，阻礙了對(duì)相關(guān)物理的理解。在此，馬琰銘教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了CaH6的成功合成及其在172 GPa下的超導(dǎo)臨界溫度Tc為215 K，這可以通過(guò)在高達(dá)9 T的磁場(chǎng)下電阻率急劇下降至零和Tc的特征性下降來(lái)證明?；赪erthmer-Helfand-Hohenberg模型的估計(jì)給出了203 T的巨大零溫度上臨界磁場(chǎng)。這些卓越的基準(zhǔn)超導(dǎo)特性使CaH6成為最杰出的高溫度超氫化物之一，標(biāo)志著它是迄今為止稀土和錒系氫化物家族之外唯一的籠狀金屬氫化物。這一特殊情況提出了將特殊類(lèi)別的高溫度超氫化物擴(kuò)展到更廣泛的化合物的巨大前景，這些化合物具有更多樣化的材料特征和物理特征。

參考文獻(xiàn)：

Ma, Liang, et al. "High-temperature superconducting phase in clathrate calcium hydride CaH6?up to 215 K at a pressure of 172 GPa."?Physical Review Letters?128.16 (2022): 167001.

原文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.167001

3.PRL：電場(chǎng)控制中心對(duì)稱(chēng)反鐵磁半導(dǎo)體中的塞曼效應(yīng)

中心對(duì)稱(chēng)反鐵磁半導(dǎo)體，雖然在自然界中很豐富，但在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中，似乎不如鐵磁體和鐵電體那么有前途。事實(shí)上，缺乏自發(fā)極化和磁化，阻礙了這些材料中電子自旋的有效利用。在此，馬琰銘教授團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)電子能級(jí)的塞曼自旋分裂(稱(chēng)為自旋塞曼效應(yīng))，來(lái)利用中心對(duì)稱(chēng)反鐵磁體中的電子自旋的范式，這是由電場(chǎng)控制的。通過(guò)對(duì)稱(chēng)性分析，研究者確定了21個(gè)具有自旋塞曼效應(yīng)的中心對(duì)稱(chēng)磁點(diǎn)群。研究者進(jìn)一步通過(guò)第一原理預(yù)測(cè)了兩種反鐵磁半導(dǎo)體，F(xiàn)e2TeO6和SrFe2S2O，是由6MV/cm的電場(chǎng)誘導(dǎo)的分別為~55和~30 meV的Zeeman分裂的優(yōu)秀候選。此外，與分裂能級(jí)相關(guān)的電子自旋磁化可以通過(guò)反轉(zhuǎn)電場(chǎng)來(lái)切換。本文闡明了反鐵磁中電子自旋的電場(chǎng)控制，拓寬了中心對(duì)稱(chēng)反鐵磁半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

Zhao, Hong Jian, et al. "Zeeman Effect in Centrosymmetric Antiferromagnetic Semiconductors Controlled by an Electric Field."?Physical Review Letters?129.18 (2022): 187602.

原文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.187602

4.PNAS：固體分子氫的應(yīng)力誘導(dǎo)高TC超導(dǎo)

固體分子氫,被預(yù)測(cè)在超高壓靜流體壓力下,具有金屬和高溫超導(dǎo)性，這推動(dòng)了目前的實(shí)驗(yàn)極限。同時(shí)，在極端壓力下，各向異性應(yīng)力不可避免地存在，也可能有意引入，非流體靜力條件對(duì)其電子性能的影響尚不清楚。在此，馬琰銘教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算表明，壓縮到數(shù)兆巴壓力的固體分子氫可以承受大的各向異性壓縮或剪切應(yīng)力，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致主要的晶體對(duì)稱(chēng)性減少和電荷重新分配，加速帶隙閉合，促進(jìn)相對(duì)于純靜水壓縮的超導(dǎo)性。該發(fā)現(xiàn)突出了迄今為止尚未探索的產(chǎn)生超導(dǎo)致密氫的機(jī)制，對(duì)探索富氫化合物和其他分子晶體中的類(lèi)似現(xiàn)象具有意義。

參考文獻(xiàn)：

Song, Xianqi, et al. "Stress-induced high-Tc superconductivity in solid molecular hydrogen."?Proceedings of the National Academy of Sciences?119.26 (2022): e2122691119.

原文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2122691119

5.Nature Communications：無(wú)軌道密度泛函理論的非局域偽勢(shì)能密度泛函

無(wú)軌道密度泛函理論(OF-DFT)是一種計(jì)算成本低的電子結(jié)構(gòu)方法，它與模擬原子的數(shù)量成線性關(guān)系，適用于大規(guī)模的材料模擬。由于沒(méi)有軌道可用，一般認(rèn)為OF-DFT嚴(yán)格要求使用局域偽勢(shì)，而不是軌道相關(guān)的非局域偽勢(shì)來(lái)計(jì)算電子-離子相互作用能。這是一個(gè)不幸的情況，因?yàn)橐阎蔷植口I勢(shì)比局部贗勢(shì)具有更好的可移植性和計(jì)算精度。在此，馬琰銘教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一個(gè)理論方案的發(fā)展，允許在OF-DFT中直接使用非局部偽勢(shì)。在這個(gè)方案中，非局部贗勢(shì)能量密度泛函是由非局部贗勢(shì)投影到非相互作用的密度矩陣(而不是“軌道”)上推導(dǎo)出來(lái)的，可以明確地近似為電子密度的泛函。該發(fā)展挑戰(zhàn)了非局部偽勢(shì)不適用于OF-DFT的信念，從而創(chuàng)造了一種優(yōu)于傳統(tǒng)方法的OF-DFT替代理論框架。

參考文獻(xiàn)：

Xu, Q., Ma, C., Mi, W. et al. Nonlocal pseudopotential energy density functional for orbital-free density functional theory.?Nat Commun?13, 1385 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29002-3

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29002-3