计算名人堂—理论与计算大牛马琰铭
2023年，注定是不平凡的一年！从本期开始，我们将对理论与计算领域的大牛，对之前的成果工作进行简单汇总，希望能够为科研工作者们提供一些思路及想法。
本期为2023版新版名人堂介绍，本期为第4期。
名人介绍
马琰铭，男，于1972年9月生，2001年于吉林大学获理学博士学位，后赴加拿大科学院和瑞士苏黎世高等工学院开展博士后研究工作。唐敖庆特聘教授，博士生导师，"万人计划"领军人才 ，国家杰出青年基金 ，国家百千万人才工程 ，中国青年科技奖，国务院政府特殊津贴，任中国核学会计算物理理事会副理事长，中国物理学会高压物理专业委员会委员、凝聚态计算专业委员会委员，中国材料学会计算材料分会委员 ，任Comput Mater Sci期刊副主编，科学通报、科技导报、Sci Rep期刊编委。曾任吉林大学物理学院院长 。现为吉林大学党委常委，副校长 。
马琰铭博士长期从事高压下凝聚态物质的新结构与新效应等方面的研究，获得了若干新奇的高压结构相变，特别是马琰铭博士首次发现了有违传统高压理论的新型高压相变--金属钠在200万大气压转变为"透明"的宽带隙绝缘体，研究成果发表在国际权威期刊《Nature》上、并入选2009年中国基础研究十大新闻，被国际高压著名科学家在Nature 和Nature Photonics 撰文焦点评述，被Science daily，Chemistry World 等科学媒体亮点宣传，这一工作颠覆了以往学术界公认的压力将增强金属导电能力的论断，揭示了芯电子对原子间化学成键的重要影响是导致反常压致金属--绝缘体相变的原因，为高压理论的进一步发展带来了契机;马琰铭博士还在高压软模相变和高压相新型功能材料(如超导、热电、超硬材料)的研究上获得了重要进展，多项研究成果发表在权威物理学刊物《Physical Review Letters》和《PNAS》上。
马琰铭博士发展了晶体结构预测新技术，首次将粒子群优化算法应用到晶体结构预测领域，发展了拥有自主知识产权的晶体结构预测CALYPSO程序，该方法现已经在国内外几十个研究单位得到推广和使用。
鉴于推文字数所限，同时马教授2022年的发表文章众多(据不完全统计，包括4篇PRL、3篇JACS、2篇Nature Communications以及1篇PNAS等等)，不可能一一列举，因此，我们只对其中的五篇进行了阐述。其他文章，感兴趣的同学可自行查阅马琰铭老师的主页http://mym.calypso.cn/mym.html
研究成果
JACS：镧系/锕系极端超氢化物室温以上超导性的预测
由于广泛的基本兴趣和诱人的潜在应用，实现室温超导一直是一项持久的科学追求。最近发现的高压包合物超氢化物LaH10，其超导临界温度(Tc)为250-260 K，使其非常接近实现这一长期追求的目标。在此，为了解决这一挑战，马琰铭教授团队报道了一种基于先进晶体结构搜索方法的一种新的极富氢包合物超氢化物MH18 (M:稀土/锕系原子)化学计量化合物的显著发现，其稳定在实验可达压力为350 GPa。这些化合物预计能容纳高达330 K的Tc，远高于室温。这些MH18包合物超氢化物的键合和电子性质非常类似于原子金属氢，从而产生了迄今为止在热力学稳定的氢化物化合物中发现的最高Tc。对这些极端超氢化物的深入研究，为解释富氢和其他低Z-材料中声子介导的室温以上超导性提供了见解。
参考文献：
Zhong, Xin, et al. "Prediction of above-room-temperature superconductivity in lanthanide/actinide extreme superhydrides." Journal of the American Chemical Society 144.29 (2022): 13394-13400.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c05834
2.PRL：包合物氢化钙的高温超导相CaH6在172 GPa的压力下达到215 K
近年来超导稀土和锕系超氢化物的发现，开启了高压超导研究的新时代。这种独特类型的笼形金属氢化物，最初是为碱土金属氢化物CaH6提出的，然而，长期以来一直未能进行实验合成，阻碍了对相关物理的理解。在此，马琰铭教授团队报道了CaH6的成功合成及其在172 GPa下的超导临界温度Tc为215 K，这可以通过在高达9 T的磁场下电阻率急剧下降至零和Tc的特征性下降来证明。基于Werthmer-Helfand-Hohenberg模型的估计给出了203 T的巨大零温度上临界磁场。这些卓越的基准超导特性使CaH6成为最杰出的高温度超氢化物之一，标志着它是迄今为止稀土和锕系氢化物家族之外唯一的笼状金属氢化物。这一特殊情况提出了将特殊类别的高温度超氢化物扩展到更广泛的化合物的巨大前景，这些化合物具有更多样化的材料特征和物理特征。
参考文献：
Ma, Liang, et al. "High-temperature superconducting phase in clathrate calcium hydride CaH6 up to 215 K at a pressure of 172 GPa." Physical Review Letters 128.16 (2022): 167001.
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.167001
3.PRL：电场控制中心对称反铁磁半导体中的塞曼效应
中心对称反铁磁半导体，虽然在自然界中很丰富，但在半导体自旋电子学的实际应用中，似乎不如铁磁体和铁电体那么有前途。事实上，缺乏自发极化和磁化，阻碍了这些材料中电子自旋的有效利用。在此，马琰铭教授团队提出了一种通过电子能级的塞曼自旋分裂(称为自旋塞曼效应)，来利用中心对称反铁磁体中的电子自旋的范式，这是由电场控制的。通过对称性分析，研究者确定了21个具有自旋塞曼效应的中心对称磁点群。研究者进一步通过第一原理预测了两种反铁磁半导体，Fe2TeO6和SrFe2S2O，是由6MV/cm的电场诱导的分别为~55和~30 meV的Zeeman分裂的优秀候选。此外，与分裂能级相关的电子自旋磁化可以通过反转电场来切换。本文阐明了反铁磁中电子自旋的电场控制，拓宽了中心对称反铁磁半导体的应用范围。
参考文献：
Zhao, Hong Jian, et al. "Zeeman Effect in Centrosymmetric Antiferromagnetic Semiconductors Controlled by an Electric Field." Physical Review Letters 129.18 (2022): 187602.
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.187602
4.PNAS：固体分子氢的应力诱导高TC超导
固体分子氢,被预测在超高压静流体压力下,具有金属和高温超导性，这推动了目前的实验极限。同时，在极端压力下，各向异性应力不可避免地存在，也可能有意引入，非流体静力条件对其电子性能的影响尚不清楚。在此，马琰铭教授团队通过第一性原理计算表明，压缩到数兆巴压力的固体分子氢可以承受大的各向异性压缩或剪切应力，这反过来又会导致主要的晶体对称性减少和电荷重新分配，加速带隙闭合，促进相对于纯静水压缩的超导性。该发现突出了迄今为止尚未探索的产生超导致密氢的机制，对探索富氢化合物和其他分子晶体中的类似现象具有意义。
参考文献：
Song, Xianqi, et al. "Stress-induced high-Tc superconductivity in solid molecular hydrogen." Proceedings of the National Academy of Sciences 119.26 (2022): e2122691119.
原文链接：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2122691119
5.Nature Communications：无轨道密度泛函理论的非局域伪势能密度泛函
无轨道密度泛函理论(OF-DFT)是一种计算成本低的电子结构方法，它与模拟原子的数量成线性关系，适用于大规模的材料模拟。由于没有轨道可用，一般认为OF-DFT严格要求使用局域伪势，而不是轨道相关的非局域伪势来计算电子-离子相互作用能。这是一个不幸的情况，因为已知非局部赝势比局部赝势具有更好的可移植性和计算精度。在此，马琰铭教授团队报告了一个理论方案的发展，允许在OF-DFT中直接使用非局部伪势。在这个方案中，非局部赝势能量密度泛函是由非局部赝势投影到非相互作用的密度矩阵(而不是“轨道”)上推导出来的，可以明确地近似为电子密度的泛函。该发展挑战了非局部伪势不适用于OF-DFT的信念，从而创造了一种优于传统方法的OF-DFT替代理论框架。
参考文献：
Xu, Q., Ma, C., Mi, W. et al. Nonlocal pseudopotential energy density functional for orbital-free density functional theory. Nat Commun 13, 1385 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29002-3
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29002-3
