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高压下原子分子物理学术思想研究

 论文栏目:物理学论文     更新时间:2017/6/19 16:11:10   

今年是我国著名的物理学家和杰出的教育家芶清泉教授诞辰100周年.先生的学术生涯长达七十余载,他对我国原子分子物理、固体物理、高压物理、物理力学等学科领域的发展做出过重大贡献.在相当长时期内,先生是这几个学科发展的规划者、组织者、和领导者,他所培养的众多弟子现在都是这些学科领域的科研中坚力量,甚至有的已成为学科领导者.他编著的《原子物理学》和《固体物理简明教程》著作直接影响了我国几代物理学子的成长.同时,由他创刊的《原子分子物理学报》以及他与经福谦先生合作创刊的《高压物理学报》这两个学术交流和成果发布平台大大促进了这两个研究领域的学术繁荣.在分享先生这些杰出贡献的同时,我们通过回忆和总结先生的学术思想和深邃智慧,以表达对恩师的敬意,起到承前启后和促进学术进步的作用.高压下原子分子物理是先生提倡和发展的重要研究方向之一,其中蕴藏着深刻的学术思想.上世纪80年代,我国科学事业迎来空前的大发展期.一方面,国防需求提出了大量的高压凝聚态物理问题,另一方面,原子分子物理学已经发展到能够解决某些工程需求的水平.

特别是计算科学的迅速发展,使解决高温高压极端条件下某些物理问题成为可能.在此背景下,先生提倡从原子分子物理基本原理出发解决高温高压凝聚态物理问题,与国际上基于电子能带论发展的固体物理相比,这种以发展原子分子物理新方法解决高温高压复杂问题的思路是一种极具特色的学术思想.这个思想的基本内涵包括:(1)物质构成观:认为在高温高压下物质体系仍然由某些具有局域电子结构的相对稳定单元构成,如分子、原子、或离子等;(2)结构变化观:认为在高温高压下这些相对稳定单元的几何结构和电子结构可以在一定程度内发生变化,如键长、键角、取向、原子壳层结构、电子密度分布等;(3)相互作用观:这些相对稳定的结构单元之间存在相互作用,即“原子间力”,如长程库伦力,范德瓦尔斯力等;(4)能量最低原理:认为体系结构单元划分、结构变化、和相互作用这三个环节必须受能量最低原理约束,如通过变分法求解体系总能量.不难发现,先生所提倡的高压下原子分子学术思想包含着丰富的哲学思想和系统性方法论.它在方法论上体现出分析与演绎相结合,在认识论上体现了还原论与重构论的统一.当人们采用分析法和还原论思维在研究孤立原子分子物理问题方面取得了巨大成功的同时,自然会面临演绎和重构的挑战,即如何基于局部的微观分析方法获得对高温高压复杂体系的系统认识.这个学术思想既为原子分子物理问题提出了新的挑战,也为解决高压凝聚态物理问题提供了新的研究途径.因此,它包含深刻哲理、丰富内涵、深邃智慧、具有重要的学术价值和科学意义.高压下原子分子物理学术思想在先生指导博士研究生论文过程中不断得到发展.在王新强博士的学位论文中首先提出“离子重叠-压缩模型”解决碱金属氢化物晶体的高压状态方程和高压结构相变问题[1,2].在这个模型中,氢化锂晶体被认为由氢负离子和锂正离子构成;在高压作用下氢负离子的电子云密度分布会由于离子间电子轨道重叠排斥效应而受到压缩;在晶体结合能表达式中包含了正负离子间库伦势能、邻近离子对之间的短程排斥能、以及由离子的电子轨道压缩效应引起的部分压缩能贡献.排斥能和压缩能的取值受体系总结合能极小条件约束.这个模型比较完整地体现了先生关于高压下原子分子物理的学术思想,其中计算工作完全采用解析波函数和量子化学计算方法完成,计算软件由研究作者自己编写,给出了准确的晶体结合能.先生一直非常推崇这项研究工作且把它当作典型范例推广,并希望理论研究能指导实验工作.随后裴春传博士参与到氢化钠和氢化钾体系的研究工作中,也获得一定成功[3].与国际上流行的晶体能带计算方法相比,“离子重叠-压缩模型”的物理图像最为清晰,它强调在晶体中电子云重叠排斥效应的局域性贡献.在随后几年中,先生安排博士研究生继续推广这个研究思路,同时希望指导实验研究获得更大成功.芶先生安排我利用刚建立的二级轻气炮加载设备开展氢化锂高压状态方程与相变问题的实验研究,该项研究得到经福谦先生的支持;又安排张中明博士采用相同的计算方法解决碱金属锂的卤化物(LiF和LiCl)的高压状态方程问题.但这两方面研究结果都出乎意料.实验发现实际氢化锂晶体在高压下比模型计算结果更易压缩得多,表明上述模型并不如预期的完美[4].张中明和我在王新强博士指导下将原先计算NaH和KH体系的程序用于LiF和LiCl体系研究,计算结果与预期差别也很大.不难发现,NaH和LiF,以及KH和LiCl,本来是两个等电子体系,计算方法不能同时描述这两个体系就意味着理论模型存在明显缺陷.为此,先生感到很困惑,他也意识到“离子重叠-压缩模型”可能低估了次邻近离子的贡献.由于研究计划受阻,张中明的博士论文改为解决氟化钠和氯化钠晶体的高压状态方程问题[5].高压下原子分子物理学术思想在后续研究工作中得到进一步发展.自“离子重叠-压缩模型”在实验验证和理论推广两方面都遇到挑战之后,该模型的进一步完善问题成为需要解决的关键.为了避开离子压缩和次邻近离子贡献等因素,我们将这个模型应用于氦原子体系.我们注意到,先生本人早前计算过两个氦之间排斥势(即氦原子对势),并计算过氦气的二阶维里系数[6].我们采用这个势计算液态氦的Hugoniot曲线,发现计算结果与实验测量结果偏差很大[7].这个结果让我们意识到“离子重叠-压缩模型”推广到高压情形时面临自身问题,这个问题既不来自离子压缩效应(因为氦原子极难压缩),也不来自邻近粒子贡献,而在于它忽视了多体相互作用.事实上,当多个原子或离子的电子轨道发生重叠时,具有波动性的电子会发生复杂的干涉效应,导致电荷密度分布发生明显变化,这种变化的结果是破坏了短程排斥势能按原子对的可加性,即表现出复杂的多体相互作用特征.

为了证实高压下氦原子相互作用呈现出复杂的多体效应,我对一系列氦原子团簇的势能进行多体展开研究[8,9],将两体、三体、四体、五体关联的贡献分别计算出来进行比较后,发现随压力增加多体贡献确实增大,同时揭示了多体屏蔽效应所导致的对势软化机理[10,11].采用类氦原子近似,我们计算了氢分子间三体和四体相互作用贡献[12].随后,我们将氦团簇的研究工作延伸到高压下氦晶体中多体关联贡献的计算,并从结合能的多体展开式出发获得了更准确的总势能计算方法[13-15].基于新发展的晶体氦多体关联计算方法,我们发展了“原子重叠—多体相互作用模型”,从氦原子间多体相互作用角度解决氦体系的高压状态方程精确计算问题[16,17].计算结果不仅与现有高压实验观测结果一致,而且在100-200GPa压力范围内给出了可靠的状态方程.为了解决氢化锂晶体高压状态方程,我们改进了“离子重叠-压缩模型”,发展了“粒子重叠-压缩-多体相互作用模型”,并考虑了次邻近离子贡献,计算结果与现有高压实验数据一致,获得了该体系在100GPa压力区高压状态方程[18].后来,“原子重叠-多体相互作用模型”被应用到其它惰性原子体系,包括氩、氪等体系,都能精确地给出这些体系的高压状态方程[19,20].高压下原子分子物理问题主要基于电子局域结构的体系而提出,这类体系的总势能可以通过局域累加求得.如果将这种方法用到电子的非局域运动起决定作用的体系,例如金属,多体展开式的收敛性差,因为在这些体系中外围次邻近原子的贡献大.在固体电子理论非常盛行的今天,“高压下原子分子物理”的提法是否已经过时呢?我的回答当然是否定的.这种学术思想强调相互作用的局域性以及从少体系统向多体系统再向晶体过渡的研究思路,具有非常清晰的物理图像,可以直接推广到无序系统和高温液态系统的描述.这是基于总能量计算的固体电子能带论无法获得的认识.再者,基于局域少体相互作用的计算方法不需引入密度泛函近似和对称性限制,它是一种基于量子化学从头算的精密计算方法.因此,即便在崇尚固体电子能带论的今天,高压下原子分子物理仍然具有学术生命力.

作者:刘福生 单位:西南交通大学高温高压物理研究所

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