我院龚雪君博士在《Physical Review B》发表重要研究成果

在准谐近似框架下，密度泛函理论（DFT）与密度泛函微扰理论（DFPT）的结合是目前唯一能够精确模拟有限温度下多种物理性质与耦合动力学响应的通用第一性原理方法，是计算物理方法中具有长期研究价值的方向之一。在此方法下，我们对先前建立的针对金属体系的研究路径进行了一个案例推广，表明该路径可适用于同时具有晶格内自由度和外自由度的高密度固体体系，并计划在接下来的工作中能够拓展到具有非零压电张量和热释电张量的绝缘体研究中。我们推导了多种物理性质随压力和温度的依赖关系，并采用两种不同方案研究晶格内自由度：零静态内应力近似（ZSISA）与完全自由能极小化方法（FFEM）。随后通过计算内禀和外禀热膨胀系数，以及随温度变化的压电张量与热释电张量，对两种近似方法进行对比。最后，我们通过在宽压力与温度范围内计算晶体的热弹性性质和声速，验证了该推广理论的有效性。

本研究在准谐近似（QHA）框架下，对六方密堆积结构锇的热弹性性质随温度与压力的变化规律开展了系统的第一性原理研究。文章严格评估了零静态内应力近似（ZSISA）与体积约束零静态内应力近似（V-ZSISA）的计算精度。研究表明，对于金属锇，零静态内应力近似结果与完全自由能极小化（FFEM）方法之间的偏差可忽略不计。图中为固定平衡构型下，通过自由能二阶导数（准谐近似框架内）计算得到的弹性张量C11与C12随温度的变化关系。我们对比了零静态内应力近似（红色曲线）与完全自由能极小化方法（绿色曲线）的计算结果；在完全自由能极小化方案中，晶格内坐标参数y会在每一应变与温度条件下通过自由能极小化进行弛豫。

同时，体积约束零静态内应力近似对计算结果的影响同样极小，这一结论与我们此前在铍中的研究结果一致。基于准谐近似得到的弹性常数，在 5–301 K 温度区间内与现有实验数据高度吻合，优于准静态近似（QSA）的计算结果。下图是锇的温度依赖弹性张量（TDEC）。虚线：等温线；实线：绝热线。蓝色曲线：准静态近似（QSA）；红色曲线：准谐近似（QHA）。黄色圆点：实验数据。

此外，本文还给出了锇的弹性常数随压力变化关系如下图所示。C11（红线）、C33（黄线）、C44（粉线）、C12（绿线）及C13（蓝线）。圆点为文献中的计算结果（颜色标识一致），绿色三角代表实验测量值。

这是thermo_pw首次将完全自由能极小化方法和投影缀加波PAW赝势相结合研究hcp金属的例子，并调用了Quantum ESPRESSO中的PHonon模块的一个特别GPU加速版本。

https://doi.org/10.1103/j1sn-dqbl