稀土金屬價態(tài)轉(zhuǎn)變研究獲進(jìn)展
稀土元素是現(xiàn)代科技中不可或缺的元素，在磁性激光、光纖通信、新能源、超導(dǎo)、航天航空、軍事國防等領(lǐng)域有著不可替代的作用，是21世紀(jì)重要的戰(zhàn)略元素。6月27日，北京高壓科學(xué)研究中心研究員丁陽帶領(lǐng)的國際研究團(tuán)隊在高壓稀土金屬價態(tài)轉(zhuǎn)變研究領(lǐng)域獲突破性進(jìn)展。相關(guān)研究以《80 GPa左右單質(zhì)金屬銪(Eu)的新價態(tài)轉(zhuǎn)變》為題發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
價態(tài)轉(zhuǎn)變—價電子數(shù)的變化，是稀土金屬及其化合物中普遍存在的物理現(xiàn)象，反映了局域4f電子在外界（比如壓力、摻雜、溫度）作用下向非局域化轉(zhuǎn)化的過程，而這種非局域化轉(zhuǎn)化標(biāo)志著材料中大規(guī)模電子關(guān)聯(lián)的開始。在此過程中，由于局域電子和非局域價電子之間的競爭等相互作用，稀土元素會衍生出許多奇異的量子現(xiàn)象，如價態(tài)轉(zhuǎn)變、金屬到絕緣體的轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)等，而這些都會極大影響稀土元素的磁、光、電等物理性質(zhì)。因此揭示這些變化機制，將為設(shè)計研制面向國家戰(zhàn)略需求的量子演生新材料，促進(jìn)新型功能器件誕生及推動新能源產(chǎn)業(yè)升級提供巨大機遇。
在該研究中，研究人員使用同步輻射X射線共振發(fā)射光譜和X射線衍射技術(shù)，探測了Eu在高壓下的電子和晶體結(jié)構(gòu)變化，壓力高達(dá)160萬大氣壓。他們發(fā)現(xiàn)，在約80萬大氣壓的壓縮下，Eu中也發(fā)生了明顯的價態(tài)變化，而且價態(tài)轉(zhuǎn)變恰好與Eu在相同壓力下的晶體結(jié)構(gòu)變化相吻合；并提出Eu中這種電子重構(gòu)歸因于所謂的Promotional模型—4f軌道的電子向5d導(dǎo)帶的躍遷導(dǎo)致的結(jié)果，為研究稀土元素的價態(tài)變化提供了重要的實驗依據(jù)和理論模型。
“共振X射線發(fā)射光譜(RXES)是迄今為止在高壓下研究稀土元素價態(tài)變化的最強大的實驗技術(shù)，它可以提供可靠的電子結(jié)構(gòu)測量，從而使我們能夠檢測到Eu在高壓下電子結(jié)構(gòu)的變化。”丁陽說。
據(jù)了解，目前該實驗成果也是國內(nèi)首次利用共振X射線發(fā)射光譜在如此高的壓力下研究稀土元素4f 的電子結(jié)構(gòu)，極大推進(jìn)了高壓調(diào)控4f電子研究的發(fā)展，同時也為我國同步輻射譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。
據(jù)悉，北京高壓科學(xué)研究中心博士后陳碧娟博士為該文第一作者，北京高壓科學(xué)研究中心研究員丁陽和陜西師范大學(xué)的昌峻研究員為通訊作者，合作單位包括流體物理研究所、北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所、吉林大學(xué)、美國阿貢國家實驗室、中國科學(xué)院物理研究所等。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、挑戰(zhàn)者計劃、國家重點研發(fā)計劃項目、美國DOE-NNSA’s Office of Experimental Sciences等聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.016401
