伯克利实验室分子铸造厂的研究人员利用NERSC进行尖端理论计算，预测了锂的迷人的新特性。锂是一种轻碱金属，在高压下具有不同寻常的物理状态，20年来一直吸引着科学家。伯克利实验室的研究生研究助理、发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的这项研究第一作者斯蒂芬妮麦克(Stephanie Mack)说：在标准条件下，锂是一种简单的金属，可以形成标准的晶体。然而，科学家们已经证明，当你把锂晶体置于压力之下时，其原子结构会发生变化。
而且有些与直觉相反，它的导电性会下降，变得不那么金属化，发现它也会变成拓扑结构，具有类似石墨烯的电子特性。拓扑材料是新发现的一类固体，具有奇异特性，例如具有绝缘的内部，但具有高导电性的表面，即使在变形时也是如此。研究人员对下一代电子和量子信息科学的潜在应用感到兴奋。根据合著者辛尼德·格里芬和杰夫·尼顿的研究，锂在高压力下会变成拓扑结构，但实验上是可以实现的，相当于地球中心压力的四分之一。迄今为止，大多数经过实验验证的拓扑材料都含有重元素、潜在有毒的元素。
芬兰开采的锂云母矿物样品，锂云母是锂的主要来源。图片：iStock/ekakoskinen
但是已经预测到，锂，表面上是一种简单的金属，也可以有这些独特的性能。锂是环境条件下一种典型的简单金属，在压力下具有惊人的丰富的相图，具有对称性降低、配位数低、甚至随着密度增加具有半导体特性的几种结构。
利用第一性原理计算，研究人员证明了一些预测的Li元素高压相也具有拓扑电子结构。从80 GPa开始，随着过渡到之前预测的Pbca相，发现Li是Dirac节点线的半金属。进一步计算，Li在随后预测的高压相中保留了费米能量附近的线性色散能带。
并且在220 GPa时，两个Cmca相之间存在Lifshitz跃迁。当Fd3¯m相位达到500 GPa时，就会形成弯曲的蜂窝状层，使得Dirac在费米能量下方穿过1ev。这些相中费米能级附近孤立的拓扑节点是由于费米能级p轨道特性随密度的增加而增加，而费米能级本身是1s核波函数重叠增加的结果，并且在这些压力下晶体结构中偏爱非对称对称。研究结果证明，在压力作用下，具有轻元素，甚至是纯元素系统的三维体材料，可以发生相变，在费米能级附近具有非平凡拓扑性质的相变，并具有可测量的结果
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博科园｜研究/来自：劳伦斯伯克利国家实验室
参考期刊《美国国家科学院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1821533116
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