地球内部的物质形态是什么样子呢?比地球内部的温度密度更加极端的条件下物质又具有什么样的内部结构呢?这些基本的物理问题涉及到原子与分子物理、材料物理、天体物理、统计物理以及惯性约束聚变(ICF)等重要物理学科和过程。因此，研究其物质结构及物理过程的高能量密度物理学科近年来逐渐兴起并蓬勃发展。随着美国国家点火装置(NIF)等一批重要的高能量激光装置的建成，高温高压物质状态的研究必然会引起更多关注，也将有更多的新物理现象被发现。尽管如此，极端条件下的物质结构研究对于现阶段的实验手段和理论方法来说仍然是一个巨大的挑战。

 

针对这一物理问题，2010年，国防科学技术大学理学院物理系袁建民小组在第一原理分子动力学中引入由电子和离子碰撞引起的摩擦作用，利用朗之万方程结合含温密度泛函理论，建立量子朗之万分子动力学(QLMD)模型，成功将第一原理方法推广到高温高压的高能量密度区域，为研究温热稠密物质提供了有效的手段(Phys. Rev. Lett. 104, 245001)，并成功运用在了太阳内部以及ICF涉及到的对象的状态方程计算(Astrophys. J. 721, 1158)。

 

利用QLMD方法，在2012年10月23日出版的国际学术期刊《物理评论快报》（PRL）上发表的论文[Phys. Rev. Lett. 109,175701 (2012)]中，论文作者首次在第一原理的框架内研究了铁的从常规凝聚态至高温高压(100 eV, 1 Gbar) (1 eV约为1万度)的物质结构及其动力学，并基于统一的理论给出了温度直至100 eV的冲击压缩雨贡纽线。研究发现，低温下含d带电子铁在压强足够高时，部分价电子也会发生如同钠、锂、铝等物质相类似的现象：在离子间产生有局域化的电子形成的小“电子滴”。而当温度逐渐升高时，离子的晶格结构被破坏，形成团簇类型的离子结构，而原来的小“电子滴”则克服离子间的势垒逐渐结合在一起，形成更大的“电子泡”，形成了一个动态的由量子“电子泡”和离子团簇紧密耦合的结构。这种由电子的费米简并、离子的强耦合以及温度的动态效应共同导致的电子和离子的相分离是一种全新的相变机制，可能为温热稠密物质结构的研究带来重要突破和挑战。同时，基于第一原理的雨贡纽数据为众多的实验和半经验模型的结果提高了比较依据。该研究将促进研究温热稠密物质结构的实验和理论研究。

 

该项研究得到国家自然科学基金的支持。（来源：科学网）