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研究快讯 | 基于第一性原理计算的Lu-H-N相图
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Express Letter
Lu–H–N Phase Diagram from First-Principles Calculations
Fankai Xie (谢帆恺), Tenglong Lu (芦腾龙), Ze Yu (喻泽), Yaxian Wang (王亚娴), Zongguo Wang (王宗国), Sheng Meng (孟胜), and Miao Liu (刘淼)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (5): 057401
DOI: 10.1088/0256-307X/40/5/057401
文章亮点
借助高通量第一性原理计算及已建成的海量无机材料数据库，在短时间内计算了Lu-H-N系统中的1561个化合物，生成了较全面的Lu-H-N热力学相图。在0-10 GPa压力范围内，并未在该系统中发现热力学稳定的三元化合物。
左图：LuH2, Lu10H21, LuN, Lu12N11在0-10 GPa压强下的XRD计算结果，并与实验结果[Nature, 615, 244 (2023)]进行比较。右图：Lu-H-N在0 GPa压强下的热力学相图。
基于第一性原理计算的Lu-H-N相图
研究背景
2023年3月8日，Nature发表了Dias研究团队的轰动性成果，发现在Lu-H-N体系中存在室温近常压超导体[Nature, 615, 244 (2023)]，在凝聚态物理领域引发了广泛热议。如属实，该成果或将改写超导材料的世界纪录，大幅提升已知超导材料转变温度，推进超导材料的广泛应用。然而，该论文中也存在诸多疑点，其真实性需要进一步检验。我国科学工作者紧锣密鼓开展了下列后续工作：3月9日，中科院物理所的靳常青团队发布富氢Lu4H23在70 K温度和218 GPa压力下发生超导相变[SCPMA, 66, 267411 (2023)]；3月12日，中科院物理所的程金光团队发布压力下LuH2中的变色现象[Chin. Phys. Lett. 40, 046101 (2023)]；3月15日，南京大学闻海虎团队发布LuH2Ny系统未观测到超导相变实验结果[arXiv:2303.08759(2023)]。由于Dias研究团队未明确指出Lu-H-N超导体的具体晶相，因此系统地探索Lu-H-N体系相空间，搜索出该体系内有可能的稳定化合物是一个重要的科学问题。
内容简介
最近，中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室的孟胜/刘淼团队，通过高通量第一性原理计算方法和自研的Atomly材料数据库，系统地计算了Lu-H-N体系中1561个结构的形成能，勾画出了该体系的热力学相图，可用于精确评估体系中任意化合物的热力学稳定性。该论文发现了在0-10 GPa内，Lu-H-N体系中没有稳定的三元化合物；存在一些三元亚稳相，如Lu20H2N17, Lu2H2N, LuH5N2, Lu3H6N, Lu10HN8等。在若干稳定相中，LuH2和LuN的X射线衍射峰与实验符合得较好。LuH2存在间隙空位，因此有可能形成H或者N原子插嵌。
研究意义和重要性
本文采用的Atomly.net材料数据库包含30余万种无机晶体材料数据，具有自主知识产权，展示了我国已具备通过自研数据平台快速探索广阔化学相空间的能力。这项研究不仅为进一步探索超导材料Lu-H-N体系提供了一些热力学物性依据，还表明了我国在无机材料数据库体系建设上已经完成了从跟随到超越的转变。
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为了保证重要研究成果的首发权和显示度，CPL于2012年6月开设了Express Letters栏目。此栏目发表速度快，学术质量高。截至2020年底，平均每篇被引用约20次，已经在国内物理学界建立起良好口碑与声望，来稿数量不断增加。
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