近日，我院段德芳教授、宁波大学崔田教授（吉林大学唐敖庆教授）等人，与加利福尼亚州立大学北岭分校的苗茂生教授等人合作，在超高压下双原子分子晶体结构研究方面取得突破性进展。研究成果以“Multistep Dissociation of Fluorine Molecules under Extreme Compression”为题，于2021年6月4日发表于Physical Review Letters杂志上。
在足够高的压力下，所有的分子体系都会解离成原子相，并伴随着新奇特性的出现，如理论预言绝缘的氢分子晶体在高压（大于550 GPa）下转变成金属原子氢，成为室温超导体；实验发现氮分子晶体在110 GPa解离为立方结构的聚合氮（cg-N），是高能量密度材料；实验发现卤族单质碘、溴和氯分别在23 GPa、80和258 GPa分子解离转变为非公度结构，原子相具有超导特性。到目前为止，元素周期表中唯独氟在超高压下的结构演化还不清楚，由于氟在元素周期表中的独特位置，研究它在高压下的结构演化，具有特殊的意义。
图1 理论预测超高压下氟的混合相和原子相的结构示意图。
早在2007年，崔田课题组就针对I2和Br2双原子分子体系进行了系统而深入的研究：构建了一个合理的调制结构，很好地表征了固态溴的非公度相，揭示了弹性常数C44软化是导致分子相解离机制（PRB 76, 104113, 2007）；发现非静水压引起碘的超导转变温度（Tc）随压力增大而升高，很好地解释了长期未能得到解释的实验现象（PRB 79, 064518, 2009）。该工作采用基于第一性原理的晶体结构搜索方法，发现氟分子相在2.75 TPa发生部分解离，出现了分子和聚合链共存的混合相，然后转变为由聚合链和原子共存的混合相，最后在30 TPa下转变为纯原子相。至此，弄清了超高压下最后一个双原子分子F2的解离过程，它在高压下独特的结构演化，是其他任何元素中都没有的。预测的这两个混合相和原子相都呈现金属性，并具有超导电性，使得高压下的氟成为元素超导体中的一员。该工作对氟在极端压力下结构演化行为的研究，填补了双原子分子高压行为的最后一块空白，具有重要的科学意义。
该论文的第一作者为吉林大学的段德芳教授，通讯作者为宁波大学的崔田教授和加利福尼亚州立大学北岭分校的苗茂生教授。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然基金委项目、吉林大学高性能计算中心与国家超级计算天津中心天河一号的大力支持。
论文全文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.225704
