原子分子和材料物性数据
原子分子及极端条件材料物性数据, 在聚变科学、航空航天与天体物理等领域前沿研究中扮演着关键角色. 在聚变科学研究中, 等离子体辐射输运系数以及相关能级、截面等原子分子参数, 直接决定了等离子体内部的物质与能量转化过程; 而聚变装置第一壁材料的热力学与抗辐照性能, 则直接关系到聚变堆未来商业化发展的成败. 在航空航天领域, 超高温大气辐射参数的精度与完备性,是高超声速飞行器辐射加热设计准确性与可靠性的基础; 材料在高温高超声速服役环境下的热力学及辐射性能, 更是高超飞行器材料选型与热防护设计的核心依据. 随着我国在聚变科学与航空航天等国家重大需求领域的快速发展, 对原子分子与材料物性参数的精确研制及相关前沿基础研究能力提出了日益迫切的需求.
近年来, 我国学者在极端条件原子分子与材料物性参数的研制及相关基础研究中取得了显著进展, 涌现出一批具备国际影响力与实际应用价值的重要成果, 也推动了一大批优秀中青年科学家的迅速成长. 在能力建设方面, 国内已系统建立了涵盖宽状态区间和材料种类的理论模拟方法与实验测量技术, 可系统开展各类原子分子体系的能级、光谱、截面、辐射光谱、粒子能损等原子分子参数,以及热力学、热弹性、热输运等极端条件材料物性参数的高精度研究. 在研究贡献方面, 相关工作已经在国际上产生重要影响, 所研制的关键参数也有效支撑了我国惯性约束聚变和磁约束聚变等国家重大领域的实际需求.
受《物理学报》编辑部委托, 我们组织了本期“原子分子与材料物性数据”专题, 邀请二十余位国内优秀青年科学家共同撰稿. 本专题内容涵盖典型原子分子体系的精密能级与光谱、电子/离子-原子/分子碰撞截面、等离子体中带电粒子能损及等离子体不透明度研究, 以及材料状态方程、热力学、热弹性、热输运、电导与热导率等极端条件物性研究. 专题以理论与实验数据研究论文为主体,既呈现了领域最前沿的研究进展, 也包括了典型体系原子分子与材料物性参数的研制与评估工作.希望本专题能够尽可能全面地反映国内原子分子数据和极端条件材料物性数据领域的近期发展动态, 为原子分子和材料物性数据在我国相关领域应用和相关前沿研究提供有益参考.
2025, 74 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.74.20251230
摘要 +
太阳风中的He离子与H2O分子碰撞的电荷转移截面是天体等离子体建模等领域所需的重要数据. 然而, 当前对应太阳风速度范围的中低能区He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面实验测量数据有限, 基于第一性原理的理论计算尚未开展. 本工作利用含时密度泛函非绝热耦合分子动力学模型, 计算了1.33—1800 keV宽能量范围内He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面. 模拟采用反转碰撞框架, 探究了电荷转移和电子离子耦合动力学, 发现H2O分子的单电荷转移截面有较强的分子取向依赖特性, 并且低能区和高能区不同分子取向对截面的贡献有显著区别. 截面计算结果与已有的实验以及经典理论模型数据较为符合, 表明本文所用理论方法和数值框架不仅适用于处理非裸核离子和分子碰撞的电荷转移过程, 还能定量分析分子取向对截面的影响. 这为后续复杂碰撞体系的相关截面计算奠定了基础. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00193 中访问获取.
2025, 74 (24): 245101.
doi: 10.7498/aps.74.20250861
摘要 +
温稠密和热稠密极端条件下的物质黏性在诸多场景有着重要应用, 例如: 惯性约束聚变靶丸设计、天体结构演化研究、极端条件下界面不稳定性和混合发展规律研究等. 由于黏性实验技术能够达到的温压范围非常有限, 因而, 极端条件下物质黏性数据的获取方式主要是通过理论计算. 本文阐述了计算温稠密和热稠密极端条件下物质黏性的多种理论方法, 包括以量子分子动力学模拟(QMD)为代表的数值模拟方法和以随机游走屏蔽势黏性模型(RWSP-VM)为代表的解析公式. 通过评估从低原子序数到高原子序数的多种单质(H, C, Al, Fe, Ge, W, U)的黏性数据, 讨论了各种方法的适用条件, 评估了各种解析公式的可靠性和适用范围. 可以看到, 数值模拟方法获得的数据量以及覆盖范围仍然有限, 不同的数值模拟方法之间还存在一定分歧, 解析公式仍然是快速获取大量黏性数据的可靠方式. 基于物理建模和模拟数据的拟合公式, 例如单质等离子体(OCP)模型、集成的Yukawa黏性模型(IYVM)等, 兼顾了模拟数据的精度和解析计算的效率. 基于物理建模的RWSP-VM, 不依赖于模拟数据, 却在较宽温压范围内具有与模拟数据相当的精度, 是获取温稠密和热稠密物质黏性数据的高效方法. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00180 访问获取.
2025, 74 (24): 246201.
doi: 10.7498/aps.74.20251058
摘要 +
钯(Pd)合金较低的摩擦系数和较好的力学性能使得其在用于长时间稳定工作的高精度仪器仪表中具备潜在优势, 但是因为高昂的原料和实验成本导致基础数据缺乏, 无法进行高性能Pd合金的设计. 因此, 本研究利用第一性原理计算了Pd的晶格常数和弹性模量, 并建立Pd与Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni等33种合金元素形成的稀固溶体模型, 计算了混合焓、弹性常数和弹性模量. 研究结果表明, 除Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Os和Ir外, 其他合金元素都可以固溶到Pd中, 元素周期表两侧的合金元素能提高Pd固溶体的延展性, 其中La, Ag和Zn的作用最明显. 通过差分电荷密度分析, Ag掺杂后形成的电子云呈球形分布, 造成延展性提高, Hf掺杂后周围的离域程度最大, 表明Hf与Pd的键合存在较强的离子性, 导致Pd31Hf硬度较高. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00186 中访问获取.
2025, 74 (15): 152501.
doi: 10.7498/aps.74.20250581
摘要 +
N3+离子与基态He原子碰撞过程在天体物理、星际空间和实验室等离子体环境中具有重要研究意义. 本文采用从头算的多参考单双激发组态相互作用方法精确计算了[NHe]3+碰撞体系的分子结构参数, 包括势能曲线和耦合矩阵元等. 基于计算得到的结构参数, 采用全量子分子轨道强耦合方法开展了低能N3+离子与He原子碰撞电荷转移过程研究, 获得了能量在3.16 × 10–3 eV—24 keV(即2.25 × 10–4 eV/u—1.73 keV/u)范围内的总单电荷、双电荷转移截面和态选择截面. 在计算中考虑了电荷平动因子、高角动量态对碰撞过程的影响, 发现高角动量态对电荷转移截面具有显著影响. 与现有实验和理论结果相比, 当前计算的单电荷和双电荷转移截面与实验测量值更为接近. 相较于Liu等(2011 Phys. Rev. A 84 042706 )未考虑高角动量态的研究, 当碰撞能量大于10 eV/u时, 其总单电荷转移截面约高出当前计算值2—3倍, 表明高角动量态对电荷转移过程具有显著影响. 同时研究表明单电荷转移截面远大于双电荷转移截面, 在碰撞电荷转移过程中占据主导地位. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00165 中访问获取.
2025, 74 (15): 153102.
doi: 10.7498/aps.74.20250611
摘要 +
本文基于多组态Dirac-Fock方法(multi-configuration Dirac-Fock, MCDF)和组态相互作用方法(configuration interaction, CI)系统计算了类锂等电子序列Z = 6—51间C3+, F6+, Mg9+, P12+, Ar15+, Sc18+, Cr21+, Co24+, Zn27+, As30+, Kr33+, Y36+, Mo39+, Rh42+, Cd45+, Sn37+, Sb38+共17种离子$ 1{{\rm s}}^{2}{nl}~ ({n}{}\leqslant{}4, \;{l}{}\leqslant{}{3)} $对应的15个能级激发能以及能级间的所有电偶极(E1)、磁偶极(M1)和电四极(E2)跃迁速率. 将所得计算结果与NIST数据库及先前的一些理论结果进行对比, 当前的绝大部分激发能计算结果与NIST数据的差异在0.02%以内, 且显著优于先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果. 而大部分跃迁速率计算结果与NIST数据的差异亦在5%以内, 部分与NIST数据差异较大的激发能以及跃迁速率数据, 当前的结果与先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果相符, 这一结果提示未来需对这些跃迁进行更加深入的理论和实验研究. 本研究可为未来天体和实验室等离子体的实验诊断和理论模拟提供了精确的数据支撑. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00154 中访问获取.
2025, 74 (15): 153103.
doi: 10.7498/aps.74.20250568
摘要 +
利用多组态Dirac-Hartree-Fock方法对类碳等电子序列(Z = 10, 14, 32, 36, 50)1s22s22p2和1s22s2p3组态的能级结构和电偶极跃迁行为进行理论研究. 在构建充分包含电子关联效应、规模适当的波函数后, 考虑Breit相互作用、量子电动力学效应和原子核质量效应, 比较分析了价-价关联效应、实-价关联效应和实-实关联效应对原子态激发能的影响, 完成了原子态激发能的高精度理论计算. 与其他理论结果相比, 本文计算的Ne V离子的激发能结果与NIST (National Institute of Standards and Technology)数据最为接近; 其他离子的激发能也具有较好的精度. 在此基础上, 结合LS耦合的原子态混合成分和NIST数据, 对出现的原子态命名情况进行分析, 推测了相应的原子态命名. 本文还计算了组态间电偶极跃迁的谱线波长、跃迁速率、线强和加权振子强度, Ne V和Si IX离子的谱线波长与NIST数据符合得很好, 相对误差小于0.62%; 跃迁速率与其他理论结果比较一致. 另外, 本文计算得到的Babushkin和Coulomb两种规范的电偶极跃迁参数具有良好的一致性, 进一步证明了本文采用的理论方法的准确性和可靠性. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00145 中访问获取.
2025, 74 (15): 153402.
doi: 10.7498/aps.74.20250541
摘要 +
本研究采用双电子半经典渐近态强耦合方法, 系统研究了N6+(1s)离子与H(1s)原子碰撞体系在 0.25—225 keV/u 能区内的单电子俘获过程. 计算得到了自旋平均与自旋分辨的总截面、主量子数n分辨以及轨道量子数$n\ell $分辨的截面数据, 并与现有实验结果及多种理论方法的计算结果进行系统对比分析. 计算结果表明, 总截面在低能区对能量依赖性较弱, 而在高能区则呈现单调递减趋势. 态分辨截面分析显示, 低能区各子壳层之间存在显著的多通道耦合效应; 而在中高能区, 截面在轨道量子数$\ell $上的分布趋近于统计规律, 即电子更倾向于被俘获至具有较高$\ell $值的轨道. 研究结果进一步表明, 对高电荷态离子碰撞体系的准确建模需同时考虑高激发态通道间的耦合效应及电子关联作用. 然而, 不同理论方法在低能区表现出显著差异, 说明对进一步开展具备态分辨能力的实验测量有迫切需求. 本工作提供的截面数据, 对天体物理和实验室等离子体的诊断建模研究具有重要参考意义. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00143 中访问获取.
2025, 74 (15): 155203.
doi: 10.7498/aps.74.20250600
摘要 +
辐射不透明度实验数据用于评估不透明度理论模型及其计算精度. 针对惯性约束聚变点火靶壳层材料碳的辐射不透明度数据研究需求, 本工作在神光III原型大型激光装置上开展了辐射加热碳等离子体的辐射不透明度实验研究. 实验中采用8路纳秒激光注入锥柱型金黑腔产生高温X光辐射场, 通过辐射场加热黑腔中心的CH薄膜产生高温等离子体, 并利用multi-1D程序模拟了等离子体的温度和密度时间演化过程. 采用空间分辨门控平焦场光栅谱仪结合第9路束匀滑面背光技术, 在同一发次中对背光经过CH半样品的吸收光谱和背光源谱进行测量. 最后, 将实验获得的碳离子(温度65 eV, 密度0.003 g/cm3)在300—500 eV能区的透过率谱与DCA/UTA光谱理论计算结果进行比较. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00153 中访问获取.
2025, 74 (15): 156401.
doi: 10.7498/aps.74.20250569
摘要 +
本文从Helmholtz自由能出发构建了铅的宽区多相物态方程, 覆盖从常温到10 MK、从常压到107 GPa的温压范围, 计算了冲击雨贡纽线、300 K等温线、熔化线及温稠密过渡区热力学物性, 并与实验值、铅已有的宽区物态方程数据库SESAME-3200以及第一性原理模拟结果进行了对比分析. 一方面, 本文的模型能较好地再现各类实验数据; 另一方面, 在温稠密过渡区, 本文的模型获得了扩展的第一性原理分子动力学模拟结果的验证, 相比SESAME-3200更符合第一性原理的模拟结果. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00166 中访问获取.
2025, 74 (15): 157102.
doi: 10.7498/aps.74.20250574
摘要 +
稀土金属在工程技术领域具有重要应用, 同时因其与f电子相关的独特行为受到凝聚态物理的广泛关注. 本文结合第一性原理计算与数据汇编, 对稀土金属的弹性性质随原子序数变化开展分析, 并以Ce和Yb为例, 对高压0—15 GPa范围内的弹性演化进行研究讨论, 对比了不同f电子处理方法的模拟表现. 结果表明, 稀土金属随原子序数变化存在明显的延展性差异, 在压力作用下的相变处弹性性质会发生显著改变. 特别是, 在Ce的fcc同构相变和Yb的fcc-bcc相变中出现脆、延性转变. 这些与随原子序数或压力条件改变发生的成键特性变化密切相关. 此外, 研究发现, 将f电子作为芯层电子处理的模拟方法能够较好地描述稀土金属在常压下的弹性性质, 但在描述高压下的结构相变及弹性性质演化趋势时, 将f电子作为价电子并考虑电子关联效应修正的处理方法则更为有效. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00150 中访问获取.
2025, 74 (12): 127102.
doi: 10.7498/aps.74.20250352
摘要 +
金属材料因其优异的电输运性能和良好的散热性能, 在工业领域应用广泛. 高温高压条件下, 实验测量金属的电热导率难度大且成本高, 数值模拟则是一种高效的方法. 本研究基于Kubo-Greenwood (KG) 公式结合第一性原理分子动力学开发了电导率和电子热导率计算软件TREX (TRansport at EXtremes). 采用该软件计算了镁及镁铝合金 AZ31B在300—1200 K和0—50 GPa温压范围内的电导率和电子热导率, 并与玻耳兹曼输运方程的计算结果进行了对比. 应用Slack方程计算其晶格热导率, 结合电子热导率得到了其总热导率. TREX 软件的计算结果与实验测试数据高度吻合, 充分验证了其计算电热导率的准确性, 并系统揭示了电热导率随温度与压强的变化规律. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00128 中访问获取.
2025, 74 (12): 125202.
doi: 10.7498/aps.74.20250301
摘要 +
等离子体不透明度在辐射输运和辐射流体力学研究中具有重要的应用, 在实际应用中, 这些参数主要依赖于理论研究获得, 实验提供了对理论计算精度的检验. 在细致能级模型的理论框架下, 对铝、铁和金等离子体的辐射不透明度进行了系统的理论研究, 建立了在密度0.001—0.1 g/cm3和温度1—300 eV范围内光谱分辨的辐射不透明度和Rosseland和Planck平均不透明度数据库. 不透明度的理论研究涉及到特定等离子体条件下的大量量子态, 在复杂的金等离子体条件下, 量子态的数目可能以亿计, 甚至达到万亿乃至更大, 因而其精确的研究显然具有很大的挑战性. 对于高Z的金等离子体, 公开发表的不透明度数据非常少, 本工作提供的数据库为高Z不透明度研究提供了参考. 对中低Z的铝和铁等离子体, 本课题组以前公开发表的工作很好地解释了实验结果, 表明了理论方法的可靠性. 本文与国际上ATOMIC程序得到的理论结果进行比较, 分析两种方法得到结果的异同, 大部分等离子体条件下, 两者符合较好, 对于有差异的部分, 指出了差异的物理根源. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.22232 中访问获取.
2025, 74 (12): 123102.
doi: 10.7498/aps.74.20250510
摘要 +
采用高精度的多参考组态相互作用方法研究了ICl+分子离子的电子结构. 在计算过程中, 通过考虑Davidson修正、自旋-轨道耦合效应和芯-价电子关联提高计算结果的准确性. 获得了两条能量最低的解离极限相关的21个Λ-S态和42个Ω态势能曲线. 在计算的势能曲线基础上, 拟合了束缚态的光谱常数, 这些理论光谱常数与已知的实验结果吻合较好. 研究了ICl+分子离子的偶极矩, 并通过相同对称性电子态22Σ+/32Σ+和22Π/32Π在交叉区域中主要电子组态成分的变化阐明了偶极矩的变化规律. 计算了与22Π, 32Π, 12Δ, 22Δ态相关的自旋-轨道耦合矩阵元. 借助于22Π, 32Π, 12Δ, 22Δ态及邻近电子态的势能曲线, 讨论了相应的预解离通道. 最后对ICl+分子离子激发态至基态的跃迁性质展开了研究. 基于计算所得的跃迁偶极矩和Franck-Condon因子, 给出了激发态较低振动能级的自发辐射寿命. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00140 中访问获取.
2025, 74 (12): 123101.
doi: 10.7498/aps.74.20250380
摘要 +
一氧化碳分子离子(CO+)在大气及天体物理环境中起着关键作用, 其不透明度的理论研究对辐射输运建模具有重要意义. 本文基于实验观测数据, 采用Modified-Morse (MMorse)势函数改进并构建了CO+分子离子X2Σ+, A2Π和B2Σ+电子态的势能曲线, 进一步提取了振动能级和光谱常数. 同时, 利用考虑Davidson修正的多参考组态相互作用(MRCI+Q)方法计算了势能曲线和电偶极跃迁矩. 改进获得的MMorse势与计算得到的势能曲线非常吻合, 且光谱常数和振动能级与其他理论和实验数据符合较好. 结合MMorse势函数和从头计算获得的电偶极跃迁矩, 计算了CO+分子离子在100 atm (1 atm=1.01×105 Pa)压强下, 298—15000 K温度范围内的不透明度, 并探究了不同温度对高温谱的影响. 研究结果表明, 高温环境(T > 5000 K)会导致不同能带系统的谱线展宽与边界模糊, 这种混合效应在T > 10000 K时尤为突出, 揭示了高温下分子离子光谱退化的微观机制. 本研究可以为天体物理领域提供一些理论依据和数据支持. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00136 中访问获取.
2025, 74 (12): 120702.
doi: 10.7498/aps.74.20250127
摘要 +
无机晶体材料因具有优异的物理和化学特性, 在多个领域展现出广泛的应用潜力. 弹性性质(如体积模量和剪切模量)对预测材料的电导率、热导率及力学性能具有重要作用, 然而, 传统实验测量方法存在成本高、周期长等问题. 随着计算方法的进步, 理论模拟逐渐成为独立于实验的研究方法. 近年来, 基于图神经网络的机器学习方法在无机晶体材料的弹性性质预测中取得了显著成果, 尤其是晶体图卷积神经网络(CGCNN)在材料数据的预测和扩展方面表现出色. 本研究利用从Matbench v0.1数据集中收集的10987个材料的体积模量和剪切模量数据, 训练了两个CGCNN模型, 基于预训练的模型成功实现了对80664个无机晶体结构弹性模量的预测. 为保证数据质量, 筛选了材料电子带隙在0.1—3.0 eV之间, 并去除了含有放射性元素的化合物. 预测数据来源于两个主要数据集: 一是从Materials Project数据库中筛选出的54359个晶体结构, 构成MPED弹性数据集; 二是Merchant等(2023 Nature 624 80 )通过深度学习和图神经网络方法发现的26305种晶体结构, 构成NED弹性数据集. 最终, 本研究预测了80664种无机晶体的体积模量和剪切模量, 丰富了现有的材料弹性数据资源, 并为材料设计提供了更多的数据支持. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00104 中访问获取.
