基于路径积分分子动力学与热力学积分方法的高压氢自由能计算

在相图研究中,严格计算一个真实系统在特定温度、压强下的自由能是近年来该领域理论方法发展的前沿.自Mermin提出有限温度密度泛函理论后,在电子结构层面,弱关联系统中人们就其在对自由能贡献的描述己相对完善,但在原子核运动的描述上,热运动与量子运动的非简谐项却总被忽视.本文将路径积分分子动力学与热力学积分结合,对300 GPa下氢晶体Cmca结构中原子核热涨落与量子涨落对自由能的影响进行了分析.发现在100 K核量子涨落非简谐项的贡献约为15 meV每原子,远大于不同结构间静态焓的差别.该研究提醒人们简谐近似在核量子效应描述中可能存在的不准确性(即使在低温下).同时,我们采取的方法也为人们进行自由能的准确计算提供了一个简单有效的手段.