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鋰原子質(zhì)量很輕，因此由單質(zhì)鋰形成的固體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的核量子效應(yīng)。在低壓條件下，鋰具有高對(duì)稱的立方結(jié)構(gòu)，但取決于具體溫壓條件，鋰或表現(xiàn)出體心立方（bcc）和面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)；在高壓條件下，鋰則表現(xiàn)出更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，如每元胞可包含16甚至88個(gè)原子的cI16和oC88。由于這些結(jié)構(gòu)自由能差微小，因此如何精準(zhǔn)處理非簡諧核量子效應(yīng)和有限溫效應(yīng)，以正確預(yù)言單質(zhì)鋰的物態(tài)亟待探討。近期，中國科學(xué)院物理研究所研究員王磊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研究員王涵等，在單質(zhì)鋰的高壓固體相圖計(jì)算中取得進(jìn)展。此前，該團(tuán)隊(duì)提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正則變換方法，即利用生成模型參數(shù)化量子多體系統(tǒng)的變分密度矩陣，并通過自由能優(yōu)化的方式求解體系的狀態(tài)方程、熱力學(xué)熵及激發(fā)譜等。該研究進(jìn)一步發(fā)展了這一方法并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)DeepMD與國產(chǎn)軟件ABACUS完成高精度密度泛函理論計(jì)算，系統(tǒng)研究了有限溫度和壓強(qiáng)下單質(zhì)鋰量子固體的相圖。研究表明，相較于經(jīng)典計(jì)算，量子非諧效應(yīng)顯著降低了bcc-fcc結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)變溫度，這與實(shí)驗(yàn)觀測一致。究其原因在于鋰原子在更松散的bcc晶格中大幅度非簡諧振動(dòng)使聲子模軟化。同時(shí)，在高壓條件下，理論計(jì)算預(yù)測cI16結(jié)構(gòu)中鋰原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，這驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。進(jìn)一步，研究顯示，在更高壓強(qiáng)下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的oC88結(jié)構(gòu)起源于經(jīng)典勢能面的能量效應(yīng)，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的核量子效應(yīng)或溫度效應(yīng)。研究人員得出這一結(jié)論的基礎(chǔ)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正則變換方法對(duì)非簡諧核量子效應(yīng)和熱力學(xué)熵的精準(zhǔn)處理。同時(shí)，由于oC88結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域化的電子結(jié)構(gòu)，對(duì)其勢能曲面的準(zhǔn)確描述有必要依賴高精度的密度泛函理論計(jì)算。該研究對(duì)單質(zhì)鋰相圖的計(jì)算和理解有助于學(xué)界理解其他堿金屬在高壓下所表現(xiàn)出的復(fù)雜相圖。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正則變換方法的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，將為金屬氫、冰相圖等基礎(chǔ)科學(xué)問題提供新的物理洞察。相關(guān)研究成果以Neural Canonical Transformations for Quantum Anharmonic Solids of Lithium為題，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院的支持。論文鏈接開源代碼和模型圖. (a) 低壓下，鋰的 bcc-fcc 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變起源于非簡諧核量子效應(yīng)所引起的自由能反轉(zhuǎn)；(b) 50GPa附近c(diǎn)I16 結(jié)構(gòu)中計(jì)算預(yù)測的鋰原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)與實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比；(c) 70GPa附近實(shí)驗(yàn)所觀察到的oC88結(jié)構(gòu)起源于高精度密度泛函理論對(duì)自由能的修正。