超高压下凝聚态物质的若干前沿问题

超高压下凝聚态物质的若干前沿问题内容摘要：

取得 重大突破的可行性分析： （ 1） 在高压条件下直接进行物质结构变化过程以及物理性质的研究，强烈地依赖于高压技术。 微型金刚石对顶砧实验技术的突破，使得在实验室中可产生百万大气压以上的静态压力的同时，能在高压条件下直接原位测量物质的结构和性质。 参加研究的单位包括二个国家重点实验室和一个国家正负电子对撞中心同步辐射高压站，拥有先进和完备的高压实验条件，还自己发展了国际领先的实验方法与技术，如 百万大气压下的电学测量技术、 激光加热高温高压 Raman 光谱与X 光衍射的原位测量方法 等 高压 实验 技术，这些条件，为本项目的完成提供了可靠的 技术保障。 同时，由于我们有自己领先的实验技术，大大提高了做出国际领先、原创性成果的可能性。 （ 2） 选择的研究体系是凝聚态物质科学中倍受关注的对象，展现出的物理现象十分丰富，存在许多机遇与挑战，极有希望取得突破性进展。 如对产生金属氢新机制的探索、 新型 3d 族强关联体系 的超高压研究等，为获得有影响的重要创新成果，提供了新的途径；纳米材料是当前的研究热点，超高压条件的介入，为创新成果的出现增加了新的机会。 （ 3） 在超高压条件下揭示物质宏观性质与微观电子结构的关系，是一个刚刚开始的崭新领域，容易产生原创性的科研成果，可能形成重大 突破。 （ 4） 通过研究凝聚态物质的相变规律，找到常规条件无法发现的新的高压相，再截 获 高压相，制备出新材料，已经被证实是产生新物质的有效途径。 轻元素 硼碳 、 硼 碳 氮 化合物是国际上研究的热点，我们已经利用高压方法在此领域成功地制备出一些全新的高压相化合物。 在这个他人涉足不多的新领域，用自己开辟的已经成功的新方法，寻找出更多的高压新相 材料。 （ 5） 承担单位有长期的合作基础，曾完成了多项科研任务，取得了一批重要研究成果。 有一支以年轻人为主、知识结构合理富有科技创新能力的研究队伍，具有丰富的研究经验，能掌握超高压凝聚态物质研究 领域的趋势和前沿，发展了有自己特色的实验方法与技术，并且与国际高压界有良好的学术交流和紧密合作。 本课题研究涉及到高压物理、材料科学、化学等多学科，不同学科的交叉融和，多种实验手段和技术的优势互补， 能够针对同一问题进行多方位的协同研究，有利于获得原创性的科研成果。 项目组织形式 采用 973 项目管理的成功经验，由首席科学家负责，集中管理，分工实施，组织跨学科、跨单位的联合攻关。 3） 课题设置 根据本项目的总体思路和预期目标，以研究体系分类，侧重不同的研究内容，设置五个研究课题，包括：（ 1）超高压下的 典型 分子固 体；（ 2）超高压下的 新型 3d 族强关联体系 ；（ 3）超高压下的 准一维纳米体系 ；（ 4）超高压下 的 II－VI 族化合物；（ 5）超高压下的 硼 碳 氮 化合物。 超高压下的 典型 分子固体 主要研究内容： 利用原位、微区、精密的物质结构和性质的高压实验 技术 和第一原理密度泛函等理论，研究 Cl O2等典型双原子分子体系，压力引发的结构相变、分子解离并进一步导致金属化单原子晶体出现的过程。 总结晶体结构、电子状态以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律。 研究冰， SnH4， GeH4等含氢多原子分子的压致解离机制，以及氢的子体系的微观状态随压力的变化，探索氢状态的变化可能带来的新奇宏观性质 ，如量子流体、超离子状态等。 弄清 这些典型分子固体中 压致分子解离机制，为金属氢的研究提供新的物理图象和指导； 针对固态氢体系， 研究压力以及其它外界条件对 晶体结构和 氢分子内部氢原子间键合的综合影响。 本课题还对深入认识凝聚态物质的电子状态、原子价态、原子间键合以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律有重要的意义 ， 为 寻找新型能源材料 提供理论支持。 预期目标： 揭示超高压下典型分子固体中分子解离的机制， 探索可能的 产生金属氢的新 途径 承担单位：吉林大学，中国科学院地球化学研究所 课题负责人：崔田 经费比例： 30％ （其中含 10％项目集中管理费） 超高压下的 新型 3d 族强关联体系 主要研究内容： 利用高压条件，在拓宽的压力 温度 组分范围，进行 3d 族（ Cu基、 Fe 基、 Mn 基等）过渡金属体系的 Mott 有序化磁电新材料的高压合成研究。 结合多种极端条件综合测试平台，高压原位研究其异常化学价态、结构和磁性、电性、超导等物理性质，总结高压下结构变化规律和高压对材料稳定性的影响，建立高压下 3d 族新型过渡金属强关联体系结构、化学组成、 物理特性的全新临界关系。 针对 Mott 有序化的热点问题，如电荷、自旋、轨道有序化及其耦合，研究压力调制的电子关联和多体效应，同时从理论上预测与解释相应的高压行为，寻找电子结构参数与压力的关系，揭示这类材料磁有序、轨道有序、电荷有序的物理机制，深入认识高压下强关联体系中 d 电子的行为以及微观相互作用规律，探讨在超高压状态 Mott 有序化体可能存在的新的量子临界现象。 预期目标： 获得 不同压力 温度 组分空间中，新型 3d 族强关联体系的结构特征 ，揭示 体系 磁有序、轨道有序、电荷有序的 基本规律。 承担单位：中国科学院物理 研究 所，中国科学院高能物理 研究 所 课题负责人： 李庆安 经费比例： 17％ 超高压下的 准一维纳米体系 主要研究内容： 利用高压水热 合成 、高温等离子体等方法，合成出碳纳米管、富勒烯、聚合物及其复合纳米线等准一维纳米材料。 采用原位高压实验技术，系统研究上述准一维纳米体系在高压下的结构变化，确定高压聚合新相的结构和稳定条件以及高压相变的规律；探索相应的力学、电学和光学等物理性质，建立聚合结构和奇特物理性质的联系。 开展单根 /单束纳米体系的高压研究，研究纳米结构单元之间的相互作用， 深入认识 准一维纳米复合体系的压致相变规律， 弄清结构间转化的物理机制和新聚合相的物理性质。 本课题研究将深入认识小尺寸体系的结构变化、原子间键合以及力学、电学等物理性质随压力的变化规律，为创造新型纳米材料提供科学依据和理论指导。 预期目标： 揭示高压下 准一维纳米 体系的结构演化以及力学、电学等性质随压力的变化规律 ， 总结在纳米尺度、空间受限条件下压致分子聚合规律 承担单位：吉林大学，清华大学 课题负责人：刘冰冰 经费比例： 18％ 超高压下 的 II－ VI 族化合物 主要研究内容： 利用基于高压集成技术的原位电导率定量测量和阻抗谱、霍耳效应实验技术，以 II－ VI 族 化合物为对象，原位测量电导率、载流子浓度、迁移率等反映电输运过程的物理量，研究电导率随压力、温度的变化关系，确定载流子浓度、迁移率随压力的变化规律。 研究金属化相变过程中的结构和能带变化，确定金属化相变点及其随温度压力变化的规律，给出临界原子间距，揭示非金属－金属相变的物理机制，获得高压下电子由局域化向非局域化转变的基本规律。 研究交变电场中阻抗谱随压力的变化规律，确定介电常数对频率、压力、温度的依赖关系；研究磁场中电导率、磁电阻、载流子浓度与磁场强度和压力的关系以及它们之间的相互关系，观察正常、反常磁阻随 压力的变化特征，探索压致关联效应的物理机制。 预期目标： 揭示高压下 II－ VI 族化合物的电输运特性的物理机制， 诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵，检验 与发展已有的 电输运模型。 承担单位：吉林大学， 燕山大学 课题负责人：高春晓 经费比例： 18％ 超高压下的 硼 碳 氮 化合物 主要研究内容： 针对二元 硼 碳、碳 氮 系统和三元 硼。