伯克利實驗室分子鑄造廠的研究人員利用NERSC進行尖端理論計算，預測了鋰的迷人的新特性。鋰是一種輕鹼金屬，在高壓下具有不同尋常的物理狀態，20年來一直吸引著科學家。伯克利實驗室的研究生研究助理、發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的這項研究第一作者斯蒂芬妮麥克(Stephanie Mack)說：在標準條件下，鋰是一種簡單的金屬，可以形成標準的晶體。然而，科學家們已經證明，當你把鋰晶體置於壓力之下時，其原子結構會發生變化。
而且有些與直覺相反，它的導電性會下降，變得不那麼金屬化，發現它也會變成拓撲結構，具有類似石墨烯的電子特性。拓撲材料是新發現的一類固體，具有奇異特性，例如具有絕緣的內部，但具有高導電性的表面，即使在變形時也是如此。研究人員對下一代電子和量子信息科學的潛在應用感到興奮。根據合著者辛尼德·格里芬和傑夫·尼頓的研究，鋰在高壓力下會變成拓撲結構，但實驗上是可以實現的，相當於地球中心壓力的四分之一。迄今為止，大多數經過實驗驗證的拓撲材料都含有重元素、潛在有毒的元素。
芬蘭開採的鋰雲母礦物樣品，鋰雲母是鋰的主要來源。圖片：iStock/ekakoskinen
但是已經預測到，鋰，表面上是一種簡單的金屬，也可以有這些獨特的性能。鋰是環境條件下一種典型的簡單金屬，在壓力下具有驚人的豐富的相圖，具有對稱性降低、配位數低、甚至隨著密度增加具有半導體特性的幾種結構。
利用第一性原理計算，研究人員證明了一些預測的Li元素高壓相也具有拓撲電子結構。從80 GPa開始，隨著過渡到之前預測的Pbca相，發現Li是Dirac節點線的半金屬。進一步計算，Li在隨後預測的高壓相中保留了費米能量附近的線性色散能帶。
並且在220 GPa時，兩個Cmca相之間存在Lifshitz躍遷。當Fd3¯m相位達到500 GPa時，就會形成彎曲的蜂窩狀層，使得Dirac在費米能量下方穿過1ev。這些相中費米能級附近孤立的拓撲節點是由於費米能級p軌道特性隨密度的增加而增加，而費米能級本身是1s核波函數重疊增加的結果，並且在這些壓力下晶體結構中偏愛非對稱對稱。研究結果證明，在壓力作用下，具有輕元素，甚至是純元素系統的三維體材料，可以發生相變，在費米能級附近具有非平凡拓撲性質的相變，並具有可測量的結果
2019年度
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博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室
參考期刊《美國國家科學院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1821533116
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