重磅！Science: 科学家首次揭示金属锂基态真实结构 澄清70年错误认识！

【引言】

零压力和温度下，元素的晶体结构是凝聚态物理学中最基本的信息。锂是周期表中最轻的金属，在过去70年中锂的最低能量晶体结构一直被认为是相对复杂的9R结构，然而最新研究指出这个认识是错误的！

【成果简介】

近日，美国犹他大学Shanti Deemyad课题组在Science上发表了题为“Quantum and isotope effects in lithium metal” 的文章。研究人员通过使用同步辐射X射线衍射及密度泛函理论与分子动力学相结合的多尺度模拟，证明了过去广泛认可的马氏体基态为亚稳态，真实的基态为面心立方（FCC）。在相似的热路径下，锂的同位素在马氏体转变温度下表现出相当大的差异。作为结构由量子效应主导的氦和质量较高元素之间的金属中间体，锂展现出了核量子力学效应。

【图文导读】

图1沿着识别的P-T路径测量观察到的⁶Li和⁷Li的稳定和亚稳态晶体结构

（A）⁶Li的等效结果；

（B）⁷Li的等效结果；

（C）P-T空间中⁶Li的实验路径，用于检查减压期间反向fcc→9R变换的可能性；

（D）与9R稳定区域中fcc结构相同的P-T空间中7Li的实验路径；

图2⁶Li在不同压力和温度下的同步辐射X射线衍射图

（A）来自三个不同冷却路径（图S6中的点1→4，8→10和11→13）的6Li的选定衍射图；

（B）冷却至基础温度时，⁶Li的衍射图案，17K，等温减压至0.5GPa（图S6中的点18→22）。

图3锂的相变作为压力和温度的函数

（A）在零压力（16,18,21,29,37）冷却和升温时，⁷Li的bcc，fcc和马氏体（9R和无序）多型体的实验观察；

（B）计算bcc和fcc之间的热力学相边界，以及亚稳态bcc-hcp和bcc-9R边界。

图4锂的结构

（A）来自MD模拟的马氏体中的复杂的非9R堆叠序列，沿着来自初始bcc晶体的[111]bcc体对角线观察；

（B）fcc，hcp，9R和bcc之间的关系。

图5锂的模拟衍射图

在T<20K时⁷Li和零压力（38）的中子衍射数据（波长λ=1.288Å）与来自（上至下）各种锂的各种候选相的模拟衍射图案，紧密堆积层的随机序列。

图6⁶Li和⁷Li的状态方程式

⁶Li和⁷Li在低温下的fcc相的原子体积绘制为压力的函数，显示出实验和理论的一致性。

文献链接：Quantum and isotope effects in lithium metal（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4886）

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