journal Вестник Объединенного института высоких температур Вестник ОИВТ РАН 2658-669X ОИВТ РАН 177 О характере проводимости молекулярного кристаллического водорода при высоких давлениях On the nature of the conductivity of molecular crystalline hydrogen at high pressures Саитов Ильнур Миннигазыевич Saitov I.M. ОИВТ РАН Объединенный институт высоких температур РАН (Москва, Россия) Москва, Россия Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russia) Moscow, Russia 19 01 2024 11 8 34 39

Метод квантовой молекулярной динамики в рамках теории функционала плотности используется для анализа структурных и электронных свойств кристаллического молекулярного водорода при температуре 100~К. Рассчитаны давление, парная корреляционная функция и зонная структура. Переход молекулярного кристаллического водорода из состояния полупроводника в полуметаллическое и металлическое состояния наблюдается при сжатии в диапазоне давлений 302--626 ГПа. Рассматриваются две структуры: моноклинная решетка с симметрией C2/c и ромбическая решетка с симметрией Cmca. В диапазоне давлений 361--527~ГПа зонная структура моноклинной решетки С2/с имеет характерный полуметаллический профиль с частично незаполненной валентной зоной и частично заполненной зоной проводимости. При давлениях выше 544~ГПа образуется ромбическая структура с симметрией Cmca. При этом более чем на два порядка уменьшается величина прямой щели, что указывает на металлический характер проводимости структуры Cmca.

Ab initio molecular dynamic method within the framework of density functional theory is applied to analyze the structural and electronic properties of crystalline molecular hydrogen at temperature 100 ,K. Pressure, pair correlation function and band structure are calculated. The crossover of molecular crystalline hydrogen from the state of a semiconductor to a semimetallic and metallic state is observed upon compression in the pressure range of 302-626 ,GPa. At pressures below 361 ,GPa, the molecular crystal with the C2/c structure is a semiconductor with an indirect gap. In the pressure range 361 - 527 ,GPa, band structure of the monoclinic C2/c lattice has a characteristic semimetalic profile with partially unoccupied valence band and partially occupied conduction band. When compressed to pressures above 544 ,GPa, the structure changes from monoclinic C2/c to orthorhombic Cmca, accompanied by a sharp decrease (by more than two orders of magnitude) in the value of the direct gap, which is an indication of the metallic conductivity of the resulting structure.

 Кристаллический водород теория функционала плотности зонная структура высокие давления Crystalline hydrogen density functional theory band structure high pressures Wigner E., Huntington H. B. // J. Chem. Phys. — 1935. — Vol. 3. — P. 764–770 Wigner E., Huntington H. B. // J. Chem. Phys. — 1935. — Vol. 3. — P. 764–770 Каган Ю., Бровман Е. Г. // УФН. — 1971. — Vol. 105. — No. 12. — P. 777–779 Kagan Yu., Brovman E. G. // UFN. — 1971. — Vol. 105. — No. 12. — P. 777–779 Бровман Е. Г., Каган Ю., Холас А. // ЖЭТФ. — 1972. — Vol. 61. — No. 6. — P. 2429–2458 Brovman E. G., Kagan Yu., Kholas A. // ZhETF. — 1972. — Vol. 61. — No. 6. — P. 2429–2458 Бровман Е. Г., Каган Ю., Холас А. // ЖЭТФ. — 1972. — Vol. 62. — No. 4. — P. 1492–1501 Brovman E. G., Kagan Yu., Kholas A. // ZhETF. — 1972. — Vol. 62. — No. 4. — P. 1492–1501 Бровман Е. Г., Каган Ю., Холас А., Пушкарев В. В. // Письма в ЖЭТФ. — 1973. — Vol. 18. — No. 4. — P. 269–273 Brovman E. G., Kagan Yu., Kholas A., Pushkarev V. V. // Pisma v ZhETF. — 1973. — Vol. 18. — No. 4. — P. 269–273 Каган Ю., Пушкарев В. В., Холас А. // ЖЭТФ. — 1977. — Vol. 73. — No. 3. — P. 967–987 Kagan Yu., Pushkarev V. V., Kholas A. // ZhETF. — 1977. — Vol. 73. — No. 3. — P. 967–987 Pickard C. J., Needs R. J. // Nat. Phys. — 2007. — Vol. 3. — P. 473–476 Pickard C. J., Needs R. J. // Nat. Phys. — 2007. — Vol. 3. — P. 473–476 McMahon J. M., Ceperley D. M. // Phys. Rev. Lett. — 2011. — Vol. 106. — No. 16. — P. 165302 McMahon J. M., Ceperley D. M. // Phys. Rev. Lett. — 2011. — Vol. 106. — No. 16. — P. 165302 Кудряшов Н. А., Кутуков А. А., Мазур Е. А. // Письма в ЖЭТФ. — 2016. — Vol. 104. — No. 7. — P. 488–493 Kudryashov N. A., Kutukov A. A., Mazur E. A. // Pisma v ZhETF. — 2016. — Vol. 104. — No. 7. — P. 488–493 Дегтяренко Н. Н., Мазур Е. А., Гришаков К. С. // Письма в ЖЭТФ. — 2017. — Vol. 105. — No. 10. — P. 624–630 Degtyarenko N. N., Mazur E. A., Grishakov K. S. // Pisma v ZhETF. — 2017. — Vol. 105. — No. 10. — P. 624–630 Кудряшов Н. А., Кутуков А. А., Мазур Е. А. // Письма в ЖЭТФ. — 2017. — Vol. 105. — No. 7. — P. 424-429 Kudryashov N. A., Kutukov A. A., Mazur E. A. // Pisma v ZhETF. — 2017. — Vol. 105. — No. 7. — P. 424-429 Zhang X. W., Wang E. G., Li X. Z. // Phys. Rev. B. — 2018. — Vol. 98. — No. 13. — P. 134110 Zhang X. W., Wang E. G., Li X. Z. // Phys. Rev. B. — 2018. — Vol. 98. — No. 13. — P. 134110 Rillo G., Morales M. A., Ceperley D. M., Pierleoni C. // J. Chem. Phys. — 2018. — Vol. 148. — No. 10. — P. 102314 Rillo G., Morales M. A., Ceperley D. M., Pierleoni C. // J. Chem. Phys. — 2018. — Vol. 148. — No. 10. — P. 102314 Azadi S., Monserrat B., Foulkes W. M. C., Needs R. J. // Phys. Rev. Lett. — 2014. — Vol. 112. — No. 16. — P. 165501 Azadi S., Monserrat B., Foulkes W. M. C., Needs R. J. // Phys. Rev. Lett. — 2014. — Vol. 112. — No. 16. — P. 165501 McMinis J., Clay R. C., Lee D., Morales M. A. // Phys. Rev. Lett. — 2015. — Vol. 114. — No. 10. — P. 105305 McMinis J., Clay R. C., Lee D., Morales M. A. // Phys. Rev. Lett. — 2015. — Vol. 114. — No. 10. — P. 105305 Dias R. P., Silvera I. F. // Science. — 2017. — Vol. 355. — No. 6326. — P. 715–718 Dias R. P., Silvera I. F. // Science. — 2017. — Vol. 355. — No. 6326. — P. 715–718 Eremets M. I., Drozdov A. P., Kong P. P., Wang H. // Nat. Phys. — 2019. — Vol. 15. — No. 12. — P. 1246–1249 Eremets M. I., Drozdov A. P., Kong P. P., Wang H. // Nat. Phys. — 2019. — Vol. 15. — No. 12. — P. 1246–1249 Loubeyre P., Occelli F., Dumas P. // Nature. — 2020. — Vol. 577. — No. 7792. — P. 631-635 Loubeyre P., Occelli F., Dumas P. // Nature. — 2020. — Vol. 577. — No. 7792. — P. 631-635 Johnson K. A., Ashcroft N. W. // Nature. — 2000. — Vol. 403. — No. 6770. — P. 632–635 Johnson K. A., Ashcroft N. W. // Nature. — 2000. — Vol. 403. — No. 6770. — P. 632–635 Cudazzo P., Profeta G., Sanna A., Floris A., Continenza A., Massidda S., Gross E. K. U. // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 100. — No. 25. — P. 257001 Cudazzo P., Profeta G., Sanna A., Floris A., Continenza A., Massidda S., Gross E. K. U. // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 100. — No. 25. — P. 257001 Pickard C. J., Martinez-Canales M., Needs R. J. // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 85. — No. 21. — P. 214114 Pickard C. J., Martinez-Canales M., Needs R. J. // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 85. — No. 21. — P. 214114 Goncharov A. F., Tse J. S., Wang H., Yang J., Struzhkin V. V., Howie R. T., Gregoryanz E. // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 87. — No. 2. — P. 024101 Goncharov A. F., Tse J. S., Wang H., Yang J., Struzhkin V. V., Howie R. T., Gregoryanz E. // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 87. — No. 2. — P. 024101 Azadi S., Foulkes W. M. C., Kühne T. D. // New J. Phys. — 2013. — Vol. 15. — No. 11. — P. 113005 Azadi S., Foulkes W. M. C., Kühne T. D. // New J. Phys. — 2013. — Vol. 15. — No. 11. — P. 113005 Drummond N. D., Monserrat B., Lloyd-Williams J. H., Rós P. L., Pickard C. J., Needs R. J. // Nat. Comm. — 2015. — Vol. 6. — P. 7794 Drummond N. D., Monserrat B., Lloyd-Williams J. H., Rós P. L., Pickard C. J., Needs R. J. // Nat. Comm. — 2015. — Vol. 6. — P. 7794 Monserrat B., Needs R. J., Gregoryanz E., Pickard C. J. // Phys. Rev. B. — 2016. — Vol. 94. — No. 13. — P. 134101 Monserrat B., Needs R. J., Gregoryanz E., Pickard C. J. // Phys. Rev. B. — 2016. — Vol. 94. — No. 13. — P. 134101 Azadi S., Drummond N. D., Foulkes W. M. C. // Phys. Rev. B. — 2017. — Vol. 95. — No. 3. — P. 035142 Azadi S., Drummond N. D., Foulkes W. M. C. // Phys. Rev. B. — 2017. — Vol. 95. — No. 3. — P. 035142 Azadi S., Singh R., Kühne T. D. // J. Comp. Chem. — 2018. — Vol. 39. — P. 262–268 Azadi S., Singh R., Kühne T. D. // J. Comp. Chem. — 2018. — Vol. 39. — P. 262–268 Норман Г. Э., Саитов И. М. // ДАН. — 2019. — Vol. 485. — No. 6. — P. 676–681 Norman G. E., Saitov I. M. // DAN. — 2019. — Vol. 485. — No. 6. — P. 676–681 Саитов И. М. // Письма в ЖЭТФ. — 2019. — Vol. 110. — No. 3. — P. 184–189 Saitov I. M. // Pisma v ZhETF. — 2019. — Vol. 110. — No. 3. — P. 184–189 Саитов И. М. // ЖЭТФ. — 2020. — Vol. 157. — No. 3. — P. 504–512 Saitov I. M. // ZhETF. — 2020. — Vol. 157. — No. 3. — P. 504–512 Норман Г. Э., Саитов И. М. // Письма в ЖЭТФ. — 2020. — Vol. 111. — No. 3. — P. 175–180 Norman G. E., Saitov I. M. // Pisma v ZhETF. — 2020. — Vol. 111. — No. 3. — P. 175–180 Dogan M., Oh S., Cohen M. L. // J. Phys.: Condens. Matter. — 2021. — Vol. 33. — No. 3. — P. 03LT01 Dogan M., Oh S., Cohen M. L. // J. Phys.: Condens. Matter. — 2021. — Vol. 33. — No. 3. — P. 03LT01 Дорофеев Е. А., Фальковский Л. А. // ЖЭТФ. — 1984. — Vol. 87. — No. 6. — P. 2202–2213 Dorofeev E. A., Falkovskiy L. A. // ZhETF. — 1984. — Vol. 87. — No. 6. — P. 2202–2213 Brown P., Semeniuk K., Vasiljkovic A., Grosche F. M. // Phys. Procedia. — 2015. — Vol. 75. — P. 29–33 Brown P., Semeniuk K., Vasiljkovic A., Grosche F. M. // Phys. Procedia. — 2015. — Vol. 75. — P. 29–33 Shimizu K. // Phys. C. — 2018. — Vol. 552. — P. 30–33 Shimizu K. // Phys. C. — 2018. — Vol. 552. — P. 30–33 Eremets M. I., Gregoryanz E. A., Struzhkin V. V., Mao H. K., Hemley R. J., Mulders N., Zimmerman N. M. // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 85. — No. 13. — P. 2797–2800 Eremets M. I., Gregoryanz E. A., Struzhkin V. V., Mao H. K., Hemley R. J., Mulders N., Zimmerman N. M. // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 85. — No. 13. — P. 2797–2800 Koufos A. P., Papaconstantopoulos D. A. // J. Supercond. Novel Magn. — 2015. — Vol. 28. — No. 12. — P. 3525–3533 Koufos A. P., Papaconstantopoulos D. A. // J. Supercond. Novel Magn. — 2015. — Vol. 28. — No. 12. — P. 3525–3533 Kresse G., Hafner J. // Phys. Rev. B. — 1993. — Vol. 47. — No. 1. — P. 558–561 Kresse G., Hafner J. // Phys. Rev. B. — 1993. — Vol. 47. — No. 1. — P. 558–561 Nosé S. // J. Chem. Phys. — 1984. — Vol. 81. — P. 511–519 Nosé S. // J. Chem. Phys. — 1984. — Vol. 81. — P. 511–519 Hoover W. G. // Phys. Rev. A. — 1985. — Vol. 31. — No. 3. — P. 1695–1697 Hoover W. G. // Phys. Rev. A. — 1985. — Vol. 31. — No. 3. — P. 1695–1697 Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. — 1996. — Vol. 77. — No. 18. — P. 3865–3868 Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. — 1996. — Vol. 77. — No. 18. — P. 3865–3868 Stokes H. T., Hatch D. M. // J. Appl. Crystallogr. — 2005. — Vol. 38. — No. 1. — P. 237–238 Stokes H. T., Hatch D. M. // J. Appl. Crystallogr. — 2005. — Vol. 38. — No. 1. — P. 237–238 Kubo R. // J. Phys. Soc. Jpn. — 1957. — Vol. 12. — No. 6. — P. 570–586 Kubo R. // J. Phys. Soc. Jpn. — 1957. — Vol. 12. — No. 6. — P. 570–586 Greenwood D. A. // Proc. Phys. Soc. — 1958. — Vol. 71. — No. 4. — P. 585 Greenwood D. A. // Proc. Phys. Soc. — 1958. — Vol. 71. — No. 4. — P. 585 Heyd J., Scuseria G. E., Ernzerhof M. // J. Chem. Phys. — 2003. — Vol. 118. — No. 18. — P. 8207–8215 Heyd J., Scuseria G. E., Ernzerhof M. // J. Chem. Phys. — 2003. — Vol. 118. — No. 18. — P. 8207–8215 Ashcroft N., Mermin N. Solid State Physics. — : Holt, Rinehart and Winston, 1976 Ashcroft N., Mermin N. Solid State Physics. — : Holt, Rinehart and Winston, 1976 Ziman J. M. Principles of the Theory of Solids. — : Cambridge University Press, 1972 Ziman J. M. Principles of the Theory of Solids. — : Cambridge University Press, 1972 Волков Б. А., Фальковский Л. А. // ЖЭТФ. — 1983. — Vol. 85. — No. 6. — P. 2135–2151 Volkov B. A., Falkovskiy L. A. // ZhETF. — 1983. — Vol. 85. — No. 6. — P. 2135–2151 Фальковский Л. А. // УФН. — 1986. — Vol. 149. — No. 2. — P. 336–339 Falkovskiy L. A. // UFN. — 1986. — Vol. 149. — No. 2. — P. 336–339 Фальковский Л. А. // Физика тверд. тела. — 1986. — Vol. 28. — No. 1. — P. 270–272 Falkovskiy L. A. // Fizika tverd. tela. — 1986. — Vol. 28. — No. 1. — P. 270–272 Wan X., Turner A. M., Vishwanath A., Savrasov S. Y. // Phys. Rev. B. — 2011. — Vol. 83. — No. 20. — P. 205101 Wan X., Turner A. M., Vishwanath A., Savrasov S. Y. // Phys. Rev. B. — 2011. — Vol. 83. — No. 20. — P. 205101 Weng H., Fang C., Fang Z., Bernevig B. A., Dai X. // Phys. Rev. X. — 2015. — Vol. 5. — No. 1. — P. 011029 Weng H., Fang C., Fang Z., Bernevig B. A., Dai X. // Phys. Rev. X. — 2015. — Vol. 5. — No. 1. — P. 011029 Shekhar C., others // Nat. Phys. — 2015. — Vol. 11. — No. 8. — P. 645–649 Shekhar C., others // Nat. Phys. — 2015. — Vol. 11. — No. 8. — P. 645–649 Lebègue S., Moyses Araujo C., Kim D. Y., Ramzan M., Mao H., Ahuja R. // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2012. — Vol. 109. — No. 25. — P. 9766–9769 Lebègue S., Moyses Araujo C., Kim D. Y., Ramzan M., Mao H., Ahuja R. // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2012. — Vol. 109. — No. 25. — P. 9766–9769