物理学院青年引进者孙建教授及其研究组在高压结构相变的理论研究方面取得新进展，其研究成果以论文形式发表在2013年10月的Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett. 111, 175502，2013)上。
自2004年Eremets等人在实验上合成了立方结构的纯氮聚合物以来，氮元素在高压下的行为和新结构一直是国际高压领域中的研究热点之一。最近，随着动态冲击波压缩等高压技术的进展，实验上能达到的最高压强已进入TPa（相当于一千万个大气压）范围，元素在超高压下的相变越来越受人关注。但到目前为止，人们对于氮元素在超高压下的行为知之甚少，而实验上也需要一定的理论模型来认识和理解各种数据，这一切都使得对超高压下氮元素行为的理论探索变得很有必要和紧迫。
该工作运用基于密度泛函理论的第一性原理计算结合晶体结构预测随机搜索方法，从理论上预言了氮元素的金属化压强高达约2TPa，而后在几个TPa的超高压下形成几种新奇结构，随着压强的增大依次为Cmca、P4/nbm、P21、R-3m、I41amd等。其中最令人感到惊奇的是P4/nbm和P21结构，P4/nbm的稳定范围为2.5-6.8 TPa，它由带正电的N2对和带负电的N5正四面体构成，在N2对和N5正四面体内部形成很强的共价键，而这些单元之间的键则相对较弱。P21结构在6.8-12.6 TPa下变成稳定，它是一个层状调制结构，并表现出强烈的电荷转移特性。这两个结构既有金属性，又因强烈的电荷密度扭曲而带有一定的离子晶体特性。另外，该工作还运用准简谐近似和第一原理分子动力学方法研究了氮元素在高温高压下的熔解特性和相边界。这个工作从理论上预言了氮元素的新结构和相边界，为进一步理解氮元素在高压下复杂多变的行为，认识其完整相图和相关氮化物的形成提供了理论依据。
此项目的合作者还包括英国伦敦大学院、加拿大国家研究委员会、英国剑桥大学等单位的研究人员。该工作是孙建教授研究组继2012年在氧元素高压相变[Phys. Rev. Lett. 108, 045503 (2012)]后的又一个新突破。该项研究得到了科技部973项目和自然科学基金的支持。
（全文链接：http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i17/e175502 ）。（物理学院）

图1: P4/nbm和P21结构中的电子密度。

图2: 理论预言的氮元素在超高压下的相图。