Quantum Monte Carlo with ground-state input to investigate methane reactions on supported metal film catalysts
如今，人们迫切需要可持续能源，或清洁和“绿色”燃料，氢是一个完美的候选人。它可以通过解离甲烷来制备，能量输入由金属-氢键形成来补偿。工业上使用负载在$γ$ -氧化铝上的镍用于该限速步骤。这项工作显示了如何使用量子蒙特卡罗计算采取（用户引导）信息总结化学的非均相催化从一个通用的杰斯特罗因素，使电子相关性被包括在密度。这反过来又给出了准确的性能值，特别是在吸附CH 3-和H-在紧密堆积的（111）平面中的相邻镍原子上之前，拉伸一个甲烷C-H键的活化势垒。的CH 3-协调的中空网站定义的三个Ni原子，新的这项工作，另一个Ni原子协调的H-原子的解离。
2022-06-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
Role of ionic quantum-anharmonic fluctuations on the bond length alternation and giant piezoelectricity of conjugated polymers
Università di Roma La Sapienza（罗马大学）；CNR-SPIN Institute for Superconducting and other Innovative Materials and Devices（国家研究委员会超导及其他创新材料和器件研究所）
研究通过随机自洽谐波近似和Rice-Mele双原子链模型，评估离子量子波动对共轭聚合物压电性的影响，发现量子非谐振荡显著改变相变边界并增强压电响应。
2026-03-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
High-pressure phase diagram of hydrogen and deuterium sulfides from first principles: structural and vibrational properties including quantum and anharmonic effects
采用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了高温超导三氢化硫和三氘化硫在高压$Im\bar{3}m$和$R3m$相中的结构和振动性质。当压力降低时，可能发生菱面体转变$Im\bar{3}m \rightarrow R3m$，伴随着氢键不对称化和三角晶格畸变的发生。在静水条件下，我们发现，与最近一些实验中提出的相反，如果存在菱面体扭曲，它主要影响氢键，而由此产生的细胞扭曲很小。我们估计，发生的应力各向异性约$10\%$可以解释这种差异。假设流体静力条件下，我们计算的临界压力时，菱面体转变发生。量子和非谐效应，这是相关的，在这个系统中，包括在非微扰水平的随机自洽谐波近似（SSCHA）。在这种方法中，我们通过计算自由能Hessian来确定转变压力。我们发现，量子非谐效应是负责一个强大的减少的临界压力与经典谐波的方法。此外，我们观察到一个突出的同位素效应，因为我们估计更高的压力转换为D ${}_3$ S比H ${}_3$ S。最后，在SSCHA中，我们计算了$Im\bar{3}m$相的非简谐声子谱函数。系统的强非谐性被证实的发生非常大的非谐加宽导致复杂的非洛伦兹线的形状。然而，对于例如通过红外光谱可获得的在区中心处的振动光谱，加宽非常小（线宽最多约为2~meV）并且非谐声子准粒子被很好地定义。
2018-02-22 cond-mat.mtrl-sci
Synergistic effect of the electronic band delocalization and bond anharmonicity on the thermoelectric performance of Cs2TeX6(X=Cl, Br, I)
Jamia Millia Islamia（贾米亚米利娅伊斯兰大学）；Govt Naveen College（政府纳文学院）；Mody University of Science and Technology（莫迪科学与技术大学）；Indian Institute of Technology, Jodhpur（印度理工学院焦特普尔分校）；Sharda University（沙尔达大学）
Cs₂TeI₆通过电子能带非局域化与键非谐性协同效应实现高ZT值，适用于高性能热电应用。
2026-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Gold and Methane: A Noble Combination for Delicate Oxidation
在低温和低压下部分氧化甲烷的能力将具有重要的环境和经济应用。虽然甲烷氧化金纳米粒子已被观察到实验，我们的密度泛函理论（DFT）计算表明，无论是CH 4，CH 3，也没有H吸附在中性金纳米粒子。然而，通过使金纳米颗粒带正电，例如通过电荷转移到TiO2基底，CH4结合增加，而O2结合保持相对不变。我们证明了CH4的吸附是通过与金属s能级成键。这适用于小的金簇（Au 2）到大的金纳米颗粒（Au 201），以及所有的fcc过渡金属二聚体。这些结果提供了必要的化学理解，以调整金属纳米粒子的催化活性，在微妙的条件下甲烷的部分氧化。
2013-08-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phonon-Phonon Interactions in Strongly Bonded Solids: Selection Rules and Higher-Order Processes
我们发现，通常使用的最低阶理论的声子-声子相互作用往往不能准确地描述非谐声子衰减率和热导率（$κ$），即使在强键合晶体。应用第一性原理理论，包括最低阶的三声子和高阶的四声子过程，十七个锌半导体，我们发现，最低阶的理论大大高估了许多这些材料的测量$κ$，而列入四声子散射给出显着改善的协议与测量。我们已经确定了新的选择规则的三声子过程，有助于解释许多这些失败的严重弱非谐声子衰减率预测的最低阶理论与四声子过程竞争。我们还发现，含有硼（B），碳（C）或氮（N）原子的锌化合物具有非常弱的四声子散射，比不含B，C或N原子的化合物弱得多。这一新的认识有助于解释几种技术上重要的材料如立方砷化硼、磷化硼和碳化硅中的杂质$κ$。同时，它不仅使得在没有B、C或N原子的材料中实现高$κ$的可能性变得不太可能，而且还表明在许多未来的研究中可能有必要包括四声子过程。我们的工作提供了新的见解固体中的非谐过程的性质，并证明了广泛的重要性，高阶声子-声子相互作用在评估材料的热性能。
2020-03-19 cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic Terms of the Potential Energy Surface: A Group Theoretical Approach
本文利用点群对称性和简正模的不可约表示性质，在Crystal中实现群论方法以减少非谐力常数计算所需的位移构型，并在分子与晶体上验证最高可达76%的加速。
2023-02-16 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Nuclei at Weakly Bonded Interfaces: The Case of Cyclohexane on Rh(111)
界面的电子性质取决于它们的同位素组成。一种已知的情况是环己烷物理吸附在Rh（111）上，其中同位素效应已被测量的功函数变化和解吸能。这些效应只能通过包括核量子效应（NQE）在内的计算来捕捉。在本文中，这个接口是解决采用色散包容密度泛函理论耦合到一个准谐波（QH）近似NQE，以及完全非谐从头算路径积分分子动力学（PIMD）。QH近似能够捕捉到氘代环己烷具有较小的吸附能，并且比其同位素物远离Rh（111）表面约0.01 A，这可以与功函数变化中的同位素效应相关。QH近似依赖于PIMD模拟的有效性的调查，导致的结论是，虽然这个接口是高度影响的非谐量子波动的分子层和在键合位点，这些非谐贡献在低温下分析同位素效应时发挥次要作用。然而，非谐量子涨落导致分子层和Rh（111）之间的距离增加，随之而来的是较小的总功函数变化，以及轨道杂化的复杂变化。
2020-12-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The role of resonant bonding in governing the thermal transport properties of two-dimensional black phosphorus
对晶格动力学和声子输运的基本了解对于热流的有效操纵至关重要，热流是具有巨大实际意义的吸引人的热物理问题之一。磷烯是一种新型的二维半导体材料，具有高载流子迁移率和大的直接带隙，具有不同于其他二维材料的独特的物理和化学性质。磷烯在纳米/光电子学和热电学中的快速增长的应用要求对热输运性质的基本理解。在本研究中，基于电子结构和晶格动力学的分析，我们证明了磷烯中共振成键的形成。通过讨论共振成键在驱动长程相互作用和强声子非谐性中的作用，提供了对磷烯热输运的基本认识。我们发现，强声子非谐性与软横光学（TO）声子模式，并产生由轨道控制的共振成键驱动的长程相互作用。该研究揭示了磷烯声子非谐性的物理根源，并从轨道态的角度对声子输运提供了新的认识，这对设计和开发高性能磷烯基纳米器件具有重要意义.
2018-01-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Anharmonic Phonons and Anomalous Thermal Expansion of Graphite
利用晶格动力学从头计算和声子的非谐性研究了石墨的各向异性热膨胀，结果表明，在600 K以下，石墨在a-b平面内呈现负的热膨胀，而在高温下，石墨在c轴上呈现很大的正的热膨胀，这是由于沿c轴极化的各种声子引起的.虽然NTE是由横向声子在高达60 meV的宽能量范围内的非谐性引起的，但沿c轴的大的正膨胀主要是由于16 meV左右的纵向光学声子模式和沿c轴的大的线性压缩性。石墨中巨大的各向异性键是导致沿c轴极化的横向和纵向声子模的能量范围存在很大差异的原因，这是导致反常热膨胀行为的原因。这种行为与其他几乎各向同性的六边形结构如水冰形成对比，水冰在小的温度范围内显示出异常的热膨胀，这是由声子的窄能量范围引起的。
2020-05-12 cond-mat.mtrl-sci
Origin of the Non-Linear Pressure Effects in Perovskite Manganites: Buckling of Mn-O-Mn Bonds and Jahn-Teller Distortion of the MnO6 Octahedra Induced by Pressure
测量了La_（0.85）MnO_（3-d）的高压电阻率和X射线衍射。在低压下，金属-绝缘体转变温度（TMI）随压力线性增加，直到临界压力P* ~ 3.4GPa，随后TMI随压力增加而降低。键距和键角的分析表明，当压力低于P* 时，带宽的增加会导致TMI的增加。发现在较高压力下TMI的减少是由于MnO 6八面体的Jahn-Teller畸变。讨论了非谐原子间相互作用势的作用。
2008-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Extreme anharmonicity and thermal contraction of 1D wires
École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；University of Bremen（不来梅大学）；University of "La Sapienza"（罗马第一大学）；Paul Scherrer Institut (PSI)（保罗谢尔研究所）
本研究通过高通量筛选确定了CuC₂、TaSe₃和AuSe₂作为候选材料，利用随机自洽谐波近似分析了它们的热稳定性和非谐性，揭示了这些一维线材中极高的负热膨胀系数和显著偏离杜隆-珀蒂定律的现象。
2025-10-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Understanding Anharmonic Effects on Hydrogen Desorption Characteristics of Mg$_n$H$_{2n}$ Nanoclusters by ab initio trained Deep Neural Network
University of Rome La Sapienza（罗马第一大学）；University of Trento（特伦托大学）
氢化镁（MgH $_2$）作为一种有效的储氢材料已被广泛研究。然而，其整体脱附温度（553 K）被认为对于实际应用来说太高。除了掺杂之外，降低用于释放氢的这种反应能的策略是使用MgH $_2$基纳米颗粒（NP）。在这里，我们首先调查的热力学性质的Mg $_n$ H $_{2n}$纳米粒子（$n<10$）从第一性原理，特别是通过评估的焓，熵和热膨胀的随机自洽谐波近似（SSCHA）的装置上的非谐效应。后一种方法超越了以前的方法，通常基于分子力学和准谐波近似，允许从头计算的完全非谐自由能。我们发现一个几乎线性依赖于温度的原子间键长-与百分之几的相对变化超过300 K-，随着键距的Mg-H键。为了增加从MgH $_2$的氢解吸实验的NP的大小，我们设计了一个计算有效的机器学习模型，该模型经过训练以准确地确定力和总能量（即势能面），将后者与SSCHA模型集成以完全包括非谐效应。我们发现一个显着的降低H-脱附温度为亚纳米簇Mg $_n$ H $_{2n}$与$n \leq 10$，具有不可忽略的，但由于非谐性的影响很小（高达10%）。
2021-11-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mechanistic Insights into Complete Methane Oxidation on Single-Atom Pd Supported by SSZ-13 Zeolite: A First-Principles Study
本文通过第一性原理计算研究SSZ-13沸石负载单原子Pd上甲烷完全氧化机理，揭示O₂辅助路径比直接脱氢更有利，并提出低能多位点路径，为设计高活性耐湿Pd-沸石催化剂提供原则。
2025-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Modeling the structural and thermal properties of loaded metal-organic frameworks. An interplay of quantum and anharmonic fluctuations
本研究以不同甲烷负载量的MOF-5为对象，通过加速模拟方案和优化力场实现路径积分模拟，探究量子与非谐涨落对金属有机框架结构和热性质的影响，明确了不同性质所需的统计处理水平，并提出优化设计原则。
2019-01-11 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Adaptation of Wallace's Approach to the Specific Heat of Elemental Solids with Significant Intrinsic Anharmonicity, Particularly the Light Actinide Metals
本研究提出“弹性软化近似”以改进准谐近似，基于Wallace框架模拟固有非谐性对比热的影响，发现泊松比与声子软化速率相关，并应用于轻锕系金属揭示其高温下异常大的非谐声子贡献。
2025-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Effect of quantization of vibrations on the structural properties of crystals
研究了零温下周期晶体中振动自由度量子化所产生的结构效应。为此，我们介绍了一种方法的基础上映射一个合适的子空间的振动流形和解决Schroedinger方程在it.A数量越来越准确的近似范围从准谐波近似（QHA）的振动自洽场（VSCF）方法和精确解。一个彻底的分析模型单原子和氢键链的近似，并提出了一个线性HF链的势能面通过第一原理电子结构计算得到的结果。我们专注于量子核效应的晶格常数，并表明，VSCF是一个很好的近似，这意味着模式之间的相关性并不是非常重要的。QHA对于共价键、轻度非谐体系是极好的，但对于氢键体系则不适用。在后者中，零点能量在H原子中心的晶格常数处表现出非解析行为，这导致量子校正能量曲线中的假次最小值。一个廉价的非谐波近似的非相互作用的模式似乎产生相当好的结果氢键链，小系统的尺寸。然而，它收敛到不正确的QHA结果的大小增加。研究了第一性原理HF链的同位素效应。我们展示了晶格常数和HF距离如何随着质量的减小而增加，以及QHA如何被证明不足以再现这种行为。
2008-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Ultralow Thermal Conductivity in a Two-Dimensional Material due to Surface Enhanced Resonant Bonding
具有超低热导率的晶体材料对于热电应用是高度期望的。许多已知的具有低热导率的晶体材料，包括PbTe和Bi 2 Te 3，具有一种称为“共振键”的特殊化学键。共振键是由简并键组态叠加而成，导致结构不稳定、原子间的反常长程相互作用和软光学声子。这些因素导致大的晶格非谐性和强的声子-声子散射，从而导致低的热导率。在这项工作中，我们使用第一性原理模拟，以调查在两个维度（2D），其中共振键是在接近表面的共振键合的效果。我们发现，由于共振键合的长程原子间相互作用变得更加突出，在二维由于减少屏蔽的原子位移引起的电荷密度失真。为了证明这种效应，我们分析了准二维Bi 2 PbTe 4的声子性质，在300 K时具有0.74 W/mK的超低热导率。通过比较准二维Bi 2 PbTe 4和其体相的原子间力常数，以及近表面和体相中共振键的性质，我们得出结论：共振键在减小的尺寸下显著增强，并且在降低晶格热导率方面更有效。我们的研究结果将为在低维材料中寻找热绝缘体提供新的线索。
2018-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Hierarchical Characterization of Thermoelectric Performance in Copper-Based Chalcogenide CsCu$_3$S$_2$: Unveiling the role of Anharmonic Lattice Dynamics
该研究通过纳入高阶声子非谐效应与 MRTA 电输运计算，揭示 CsCu$_3$S$_2$ 强非谐性来源，并准确预测其高温面内热电优值。
2024-09-07 cond-mat.mtrl-sci
Descriptors for thermal expansion in solids
材料中的热膨胀可以用密度泛函理论中仔细的非谐声子计算精确地模拟。然而，由于对控制热膨胀的兴趣以及从理论上或实验上评估候选材料的热膨胀性质所消耗的时间，快速识别具有期望的热膨胀性质的材料的方法将具有很大的实用性。当离子键合是重要的材料中，我们表明，由离子占据的晶体体积的分数，（基于离子半径），平均键协调，和键协调的偏差是描述符，与这些材料的室温热膨胀系数在广泛访问的数据库中发现。通过将这些描述符组合在多维拟合中，相关性大大提高。这种拟合强化了物理解释，即开放空间与低平均配位和各种局部键配位相结合导致材料具有较低的热膨胀系数，具有单值局部配位和较少开放空间的材料具有最高的热膨胀系数。
2017-11-02 cond-mat.mtrl-sci
Negative Thermal Expansion Behaviour in MZrF6 (M=Ca, Mg, Sr): Ab-initio Lattice Dynamical Studies
金属氟化物的热膨胀行为可以通过选择合适的金属阳离子来调节。我们提出了从头算晶格动力学研究的金属氟化物（CaZrF 6，MgZrF 6和SrZrF 6），并确定负责在这些材料中的负热膨胀的非谐声子模式。这些声子涉及ZrF 6多面体旋转运动，这导致Zr-F-Zr键中的氟原子的振动的大的横向振幅。氟原子的热振幅各向异性越大的化合物，其NTE行为越大。这使得能够理解这些化合物在高温下的热膨胀行为的大变化。计算还预测了这些非简谐声子的频率随温度的升高而降低。
2018-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Data-Driven Exploration and Insights into Temperature-Dependent Phonons in Inorganic Materials
Portland State University（波特兰州立大学）；Northwestern University（西北大学）；University of Science and Technology Beijing（北京科技大学）
本文提出数据驱动方法，通过机器学习和高通量计算研究无机材料中温度依赖的声子行为，提升预测精度并揭示非谐效应的影响。
2026-01-14 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Anharmonic Effects on the Superconductivity of I-43m CH4-H3S at High Pressures: a First-Principles Study
本文利用第一性原理计算，研究了 150-300 GPa 下量子离子涨落和晶格非谐性对 I-43m CH4-H3S 结构与超导性的影响，发现非谐效应使电子-声子耦合常数在 200 GPa 时被抑制 46%，超导临界温度被高估约 50 K。
2024-12-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.app-ph
Ab initio Investigation of Thermal Transport in Insulators: Unveiling the Roles of Phonon Renormalization and Higher-Order Anharmonicity
Indian Institute of Science（印度科学学院）
本文通过从头计算方法研究绝缘体中的热传输现象，揭示了声子简并和高阶非谐性在热传导中的作用，提出了自洽声子简并方法和改进的非谐性处理方法。
2024-02-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Quantum effects in the H-bond symmetrization and in the thermodynamic properties of high pressure ice
本研究通过非微扰量子非谐性方法，发现量子涨落显著降低高压冰相VIII至相X的相变压力并消除其温度依赖性，同时准确重现同位素位移。
2024-03-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
-Quantum Effects or Theoretical Artifacts? A Computational Reanalysis of Hydrogen's High-Pressure Phase Stability and Properties
University of Cambridge（剑桥大学）；State University of New York at Buffalo（纽约州立大学布法罗分校）
通过meta-GGA泛函（R2SCAN和SCAN0）与GGA-PBE泛函对比，发现PBE高估分子相稳定性，而meta-GGA更接近扩散蒙特卡洛结果，表明PBE预测的动力学不稳定性和非谐性可能源于泛函缺陷而非量子核效应。
2026-06-16 cond-mat.mtrl-sci
Divergent Coherent Phonon Responses Across the Metal-Insulator Crossover
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter（物质结构与动力学马克斯·普朗克研究所）
通过激光注量诱导的声子软化与相干反射振荡振幅，发现仅在中等电导率（102-104 S/cm）的金属-绝缘体交叉区域，材料表现出异常强的超快响应，归因于metavalent键合机制。
2026-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Thermal and nuclear quantum effects in the hydrogen bond dynamical symmetrization phase transition of delta-AlOOH
我们进行了从头算分子动力学模拟的δ相的含水矿物AlOOH在环境温度和高压。核量子效应通过量子谐振子池中的朗之万动力学被包括在内。我们确认，在不断增加的压力下，δ-AlOOH经历了一个相变从$P2_1nm$结构与不对称和无序的O-H键到一个更硬的$Pnnm$相对称的氢键，这应该是稳定的压力和温度范围内的典型的地球地幔。该转变最初由质子隧穿触发，这使得平均质子位置与O-O距离的中点重合，压力低至10 GPa。然而，只有在更大的压力，约30 GPa之前发现的其他计算，Pnnm相对称的氢键是稳定的从经典的观点。通过对P2_1 nm结构中H-O伸缩模的分析，在考虑热效应和核量子效应的情况下，发现H-O伸缩模在10 GPa附近发生了明显的软化和衰减.在方差，谐波图片是不足以描述的高度非谐波的有效潜力，是看到质子在过渡。最后，我们提出，一个动态过渡到高对称性和质子为中心的Pnnm相，这是由质子隧穿的发病所带来的图片，可以确认在压力下的准弹性中子散射和振动光谱。
2017-01-30 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Insight into Two-Dimensional Borophene: Five-Center Bond and Phonon-Mediated Superconductivity
我们报告了一个以前未知的单层硼的同素异形体，我们称之为超级B与平面结构的从头计算的基础上。与许多其他典型的硼杂环戊二烯相比，它具有良好的热稳定性、动力学稳定性和机械稳定性。我们发现超硼分子具有一个迷人的化学键环境，包括标准的sp，sp2杂化和离域的五中心三电子$π$键，称为$π$（5c-3e）。这种特殊的电子结构在化学上稳定超级B中起着关键作用。通过额外的掺杂，super-B可以从原始金属转化为狄拉克材料。与石墨烯一样，它也可以承受小于24%的拉伸应变，这表明其具有优异的柔韧性。此外，由于小的原子质量和费米能级处的大的态密度，在环境条件下，超B在单元素超导体中具有最高的临界温度Tc，为25.3 K。我们把这种高Tc的super-B的两个线性声学声子分支和一个异常低的光学声子模式的巨大的非谐性。这些预测为低维硼纳米结构的化学性质提供了新的见解，并突出了设计柔性器件和高Tc超导体的潜在应用。
2019-11-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
