First-principles anharmonic vibrational study of the structure of calcium silicate perovskite under lower mantle conditions
硅酸钙钙钛矿（CaSiO $_3$）是下地幔的主要矿物成分之一，但与更丰富的镁基材料相比，一直是相对较少工作的主题。与CaSiO $_3$相关的主要问题之一仍然是研究的主题，是它在下地幔条件下的晶体结构-通常接受立方Pm $\bar{3}$ m结构，但有些人认为较低对称性的结构可能是相关的。本文采用完全第一性原理振动自洽场方法对下地幔底部附近地热线上不同点的几个候选结构进行了高精度非谐振动计算，以研究立方结构和相关畸变结构的稳定性。我们的结果表明，立方体结构是最稳定的整个下地幔，这一结果是强大的对热膨胀的影响。
2019-02-11 cond-mat.mtrl-sci
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
Anharmonic properties of vibrational excitations in amorphous solids
了解非晶态固体的振动和热性质是凝聚态物理中讨论最多的问题之一。最近的工作已经取得了重大进展，了解谐波振动状态。特别是，它已被确定，准本地化的振动模式出现，除了声子类振动模式。在这项工作中，我们研究了这些振动模式的非谐性质。我们发现，振动模式表现出非谐性，诱导粒子重排，并导致过渡到不同的状态。这些非谐性与晶体中的非谐性不同，晶体中的粒子不会发生重排。值得注意的是，无论是声子模式还是准局域模式，振动模式都表现出很强的非谐性，诱导的粒子重排总是局域在空间中，并且由1到1000个粒子组成。我们的研究结果有助于了解低温热性能，其中非谐振动是至关重要的。
2019-11-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The effect of electronic entropy on temperature peculiarities of the frequency characteristics of two interacting anharmonic vibrational modes in $β-$Zr
在冻结声子模型下，计算了$β$锆中相互作用的纵向和横向$L-$声子的二维温度相关有效势。在不同温度下得到的有效势用于一组具有白噪声型恒温器的随机微分方程的数值解。横向振动的谱密度的分析允许人们确定$β$ -Zr相对于纵向$L-$振动变得不稳定的温度。所得到的温度值实际上与锆中$β\to α$结构转变的实验温度一致。讨论了电子熵在$β-$ Zr稳定性中的作用。
2006-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic Lattice Dynamics from Vibrational Dynamical Mean-Field Theory
本文提出了一种研究固体中原子非谐相互作用动力学的振动动力学平均场论。像其他风格的DMFT，VDMFT映射到一个自洽定义的杂质问题与本地非谐性和耦合到一个浴缸的谐振子的原子的周期性非谐晶格的动力学。VDMFT在谐波和分子极限下是精确的，非微扰的，通过其簇扩展可以系统地改进，可用于经典或量子杂质求解器（取决于核量子效应的重要性），并且可以与现有的低水平非谐性图解理论相结合。当测试的非谐光学和声学声子模型，我们发现，经典的VDMFT给出了很好的协议与经典的分子动力学，包括声子频率和寿命的温度依赖性。利用量子杂质求解器，在低温下观察到核量子效应的特征。我们通过细胞VDMFT和自洽声子（SCPH）理论的组合测试非局域非谐性的描述，产生强大的SCPH+VDMFT方法。
2022-08-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Universal Vibrational Anharmonicity in Carbyne-like Materials
本文通过拉曼光谱研究受限卡拜链的C模直至第三泛音，发现振动非谐性随频率降低而增大且最高达8%，并证明该关系对包括理想卡拜在内的类卡拜材料具有普适性。
2024-10-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Improved Calculation of Vibrational Mode Lifetimes in Anharmonic Solids - Part I: Theory
我们在这里提出了一个正式的基础，实际计算的振动模式的寿命在固体。该方法是基于Liouvillian的递归方法分析。由此，我们得出的寿命的振动模式的时刻的Liouvillian投影到相空间的相关子空间的功率谱。在实际中，矩被评估为定义良好的算子的系综平均值，这意味着整个计算将使用Monte Carlo完成。与当前方法相比，这些见解应导致显著更短的计算。一个同伴片提供数值结果。
2009-11-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Optical creation of vibrational intrinsic localized modes in anharmonic lattices with realistic interatomic potentials
使用一个有效的最优控制方案来确定激发场，我们从理论上证明了具有真实原子间势的非谐理想晶格中振动本征局域模（ILM）的光学产生。对于有限尺寸的系统，我们表明，ILMs可以直接通过施加一系列的飞秒可见光脉冲在太赫兹重复率激发。对于周期性晶格，ILM可以通过不稳定的扩展晶格模式的衰减间接地产生，所述不稳定的扩展晶格模式由如上所述的脉冲序列或由具有线性啁啾频率的单个皮秒远红外激光脉冲光学地激发。鉴于实验激光脉冲整形能力的最新进展，该方法在实验上是有前途的。
2000-08-23 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS
Strongly Anharmonic Organic Cation Vibrations in Hybrid Lead Halide Perovskite CH3NH3PbI3 on Electronic Ground State
研究了室温下四方相的无机-有机混合卤化铅钙钛矿CH 3 NH3 PbI $在略低于带隙的中等光激发下的超快振动动力学。时间分辨光克尔效应信号表现出周期性调制，由于在4和8太赫兹的甲基铵分子的振动和扭曲，除了在1.2太赫兹的无机亚晶格变形。这些振荡被严重阻尼，并且它们的频率随着泵浦密度的增加而呈现蓝移，这与传统激光加热的预期相反。我们的从头算晶格动力学模拟揭示了强烈的非谐振动势的带中心光学声子模式，从而证实了非谐性是实验观察到的频率蓝移的起源。
2021-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Structural and vibrational properties of lithium under ambient conditions within density functional theory
我们采用一般的第一性原理方法，推导出金属锂在0和350 K之间的环境压力下的相图，包括候选相的识别。我们使用从头算随机结构搜索（AIRSS），以确定竞争阶段和补充的振动特性和相关的衍生中子衍射图案的计算结果。强烈的量子核效应存在，促使振动的仔细处理。我们直接映射的玻恩-奥本海默表面的李第一次，允许扩展的正常准谐波治疗振动的“准非谐”的方法，其中包括非谐性的影响。利用各种状态方程推导出FCC、BCC、HCP和9 R相的吉布斯自由能。我们发现，非谐贡献的吉布斯自由能的Li相是相同的顺序相之间的差异。非简谐性对BCC相的0 K声子色散也有显著影响，其中在N点声子处的差异最大。我们发现的相变的顺序与Ackland等人的计算一致。[Science 356，1254-1259，（2017）]，即使包括非谐波效应，也表明准谐波处理足以获得正确的相位行为。我们明确地表明，加热时从密排锂到BCC锂的马氏体相变是由声子自由能的熵贡献驱动的。
2019-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Nonperturbative Simulation of Anharmonic Rattler Dynamics in Type-I Clathrates with Vibrational Dynamical Mean-Field Theory
本文首次将振动动力学平均场理论应用于三维I型笼状化合物，揭示其非谐性由四声子及高阶散射主导，并准确刻画了“振子”模式的频移与超短寿命。
2024-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Theoretical Insights into C$-$H Bond Activation of Methane by Transition Metal Clusters: The Role of Anharmonic Effects
针对甲烷活化的材料设计，我们研究了温度（$T$），压力（$p$）依赖的组成，结构和稳定性的金属氧化物簇在反应性气氛中使用的原型模型催化剂具有广泛的应用：自由过渡金属（Ni）簇在氧气和甲烷的组合气氛。一个强大的方法的方法，表明传统的谐波近似惨败这类材料和捕获非谐波效应的振动自由能的贡献是必不可少的。为了在振动自由能中考虑非谐性，我们采用混合密度泛函理论和{ \em ab initio}分子动力学模拟输入，通过热力学积分方法计算了团簇的过剩自由能.我们发现非谐效应对检测C $-$ H键的活化有显著的影响，而谐波红外光谱由于对振动模式的错误预测而完全失效。
2020-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic Effects in the Low-Frequency Vibrational Modes of Aspirin and Paracetamol Crystals
振动光谱的低频范围对晶格的集体振动敏感。在分子晶体中，识别不同多晶型物的结构具有决定性作用，此外，它对这些晶体之间振动自由能差的温度依赖性分量的大小也起着重要作用。在这项工作中，我们研究了不同晶型的柔性阿司匹林和扑热息痛晶体的振动拉曼光谱和振动态密度基于色散校正的密度泛函理论，密度泛函微扰理论，和$ab\,initio$分子动力学。我们研究了准谐晶格展开的影响，并比较了振动谱的谐理论和时间相关形式主义的结果。晶格膨胀强烈影响300 cm $^{-1}$以下的集体振动，但在较高的频率下，它的重要性明显降低，而热核运动在整个振动范围内可能是重要的。我们还观察到，包含或忽略多体范德华色散相互作用不会导致拉曼光谱或振动态密度的低频范围内的大的差异，提供的晶格常数是固定的。我们获得定量协议与实验室温度低于300厘米$^{-1}$拉曼光谱的所有多晶型研究。检查不同的振动之间的二维相关性，我们发现哪些模式显示出更大程度的非谐耦合到别人，提供了一个可能的路线，以评估在不同情况下的谐波自由能评估的准确性。
2019-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Advanced Post-Processing Techniques of Molecular Dynamics Simulations in Studying Strong Anharmonic Thermodynamics of Solids
虽然在低温下具有小非谐性的材料的振动热力学已经基于谐波声子近似得到了很好的理解;在高温下，这种理解必须适应声子如何与其他声子或其他激发相互作用。我们将看到，声子-声子相互作用引起有趣的耦合问题，并从根本上改变材料的平衡和非平衡性质，例如，材料的热膨胀、热力学稳定性、热容、光学性质、热输运和其它非线性性质。尽管非谐晶格动力学非常重要，但迄今为止人们对它的认识还很有限，大多数晶格动力学的研究仍然依赖于调和或准调和模型。近年来，随着计算模型的发展，分子动力学模拟中的原子轨道可以提取非谐信息。例如，振动能谱，有效势能面和声子-声子相互作用通道可以从这些随机轨道中导出。这些相互依赖的方法被用来成功地揭示强非谐波现象，而传统的谐波模型则严重失败，例如，赤铜矿的负热膨胀和金红石的高温热稳定性。
2015-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Understanding mechanisms of thermal expansion in PbTiO$_3$ thin-films from first principles: role of high-order phonon-strain anharmonicity
材料的热性能对于各种技术至关重要，并且越来越成为材料设计工作的目标。然而，只有相对较新的第一性原理计算技术的进步，才使研究人员能够探索热性质的微观机制，如热膨胀。我们使用Grüneisen的热膨胀理论结合密度泛函计算和准谐波近似揭示机制的热膨胀在PbTiO $_3$薄膜的弹性和振动的自由能的贡献。令人惊讶的是，我们发现，虽然PbTiO $_3$薄膜的结构参数随温度的演变，如果他们是由线性弹性为主，PbTiO $_3$薄膜是强烈的非谐，与失配应变和温度的弹性常数和Grüneisen参数的变化很大。我们发现，一个偶然的近取消不同类型的非谐性之间产生这种行为。我们的研究结果说明了高阶声子应变非谐性在确定PbTiO $_3$薄膜的温度相关的结构参数的重要性，并突出了复杂的方式，其中热膨胀，失配应变和弹性和振动性能交织在一起。
2021-03-23 cond-mat.mtrl-sci
Quantum effects in muon spin spectroscopy within the stochastic self-consistent harmonic approximation
在μ子自旋转动实验中，正离子注入μ子由于质量轻，零点振幅大。宿主材料的量子力学计算通常将μ子视为点杂质，忽略了这种大的振动振幅。作为一阶修正，μ子零点运动通常在谐波近似下描述，尽管晶体势有很大的非谐性。在这里，我们应用随机自洽谐波近似，量子变分方法设计，包括强非谐效应的总能量和振动频率的计算，为了克服这些限制，并提供一个准确的从头计算描述的μ子的量子性质。我们应用这种全量子处理的教科书情况下的金属系统，如铁，镍，钴，包括MnSi和MnGe的μ子接触超精细场的计算，显着提高与实验的一致性。我们的结果表明，μ子的振动频率强烈重整化的非谐性。最后，在对比的谐波近似，我们表明，包括量子非谐波动，μ子稳定在八面体铁的bcc网站。
2019-07-19 cond-mat.mtrl-sci
Improved Calculation of Vibrational Mode Lifetimes in Anharmonic Solids - Part II: Numerical Results
在两部分出版物中，我们提出并分析了固体振动模式寿命的实际计算的正式基础。该方法是基于Liouvillian的递归方法分析。在第一部分中，我们推导出的Liouvillian的功率谱的时刻投影到相空间的相关子空间的振动模式的寿命。在实际中，矩被评估为定义良好的算子的系综平均值，这意味着整个计算将使用Monte Carlo完成。在这第二部分中，我们提出了一个简单的晶格振动的非谐模型，表现出两个制度的行为，在低温和高温下的数值分析。我们的研究结果表明，对于这个简单的模型，模式寿命作为温度和波矢的函数可以简单地近似为从谐波极限的频率偏移的函数。接下来，我们将用Monte Carlo和计算密集型分子动力学得到的这些计算与第一部分中使用最低阶矩形式的计算进行比较。我们表明，在高温制度，最低阶近似给出了一个可靠的近似计算寿命。结果还表明，扩展到至少四分之一的时刻，需要在整个温度范围内获得可靠的结果。
2010-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Strain, Anharmonicity and Finite-Size Effects on the Vibrational Properties of Linear Carbon Chains
本文利用高水平密度泛函理论计算，研究了量子非谐性、应变和有限尺寸对线性碳链结构和振动性质的影响，发现无限长与有限长碳链在隧穿效应和振动频率上表现出不收敛的本质差异。
2023-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Soft Anharmonic Coupled Vibrations of Li and SiO4 Enable Li-ion Diffusion in Amorphous Li2Si2O5
本文采用准弹性（QENS）和非弹性中子散射（INS）研究方法，辅以从头算分子动力学模拟（AIMD），对Li+在晶态和非晶态Li2Si2O5中的扩散和原子动力学行为进行了研究。非晶相Li_2Si_2O_5的QENS测量显示了一个窄的温度窗口（700 < T < 775 K），表现出明显的准弹性展宽，对应于Li+向晶相的快速扩散和SiO_4单元的弛豫。我们的INS测量清楚地表明，在低能量（低E）的超离子非晶相，消失在非超离子结晶相的状态（PDOS）的大声子密度的存在下，证实了低E模式在Li+扩散的作用。受挫折的能量景观和主机的灵活性（由于随机取向和振动运动的SiO4多面体单元）在扩散的Li+中起着至关重要的作用。我们使用AIMD模拟来确定这些低辐射模式涉及大幅度的Li振动和非晶相中的SiO4振动。在升高的温度下，这些振动动力学通过桨轮状耦合机制加速Li+扩散。在775 K以上，这些SiO4振动动力学通过将SiO4和Li+锁定到自由能景观的更深的最小值中并在结晶相中消失来驱动系统进入结晶相。实验和模拟都提供了有价值的信息的原子水平的随机和振动动力学Li2Si2O5和它们的作用，Li+扩散和玻璃化。
2022-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Accurate Prediction of the $α\to β$ Phase Transformation Temperature in Tin via Full Anharmonic Treatment
Institute of Physics of Materials, Czech Academy of Sciences（捷克科学院材料物理研究所）；Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology（布尔诺理工大学机械工程学院）；Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS), Ruhr-Universität Bochum（鲁尔大学跨学科先进材料模拟中心）
研究锡中α→β相变温度预测难题，构建ACE势，通过全热力学积分考虑振动非谐性，得出捕捉全晶格非谐性对预测锡相稳定性至关重要，绝对转变温度受0K能量学精度限制的结论。
2026-07-29 cond-mat.mtrl-sci
A New Formalism for Calculating Modal Contributions to Thermal Interface Conductance from Molecular Dynamics Simulations
提出了一种新的形式，用于提取完全包含非谐性的界面热传导模式的贡献。结果表明，当两种材料连接时，需要一组新的振动模式来正确描述穿过界面的传输。在这些新的模式中，出现了某些分类，因为大多数模式至少部分地延伸到其他材料中。本地化的界面模式也存在，并表现出最高的电导贡献的每模式的基础上。结果还表明，非谐性使非弹性散射在温度低至10 K和非弹性过程的电导的20%的系统研究。
2014-07-24 cond-mat.mtrl-sci
Thermal and Vibrational Properties of Thermoelectric ZnSb - Exploring the Origin of Low Thermal Conductivity
金属间化合物ZnSb是一种有趣的热电材料，主要是由于其低的晶格热导率。到目前为止，低热导率的起源一直是推测性的。使用多温度单晶X射线衍射（9 - 400 K）和粉末X射线衍射（300 - 725 K）测量，我们表征了体积膨胀和结构性质随温度的演变，并确定了越来越多的非谐行为的Zn原子。从拉曼光谱和声子的第一性原理计算的组合，我们巩固了波数低于60 cm-1的低能量光学模式的存在。在2 - 400 K之间的热容测量可以通过Debye-Einstein模型很好地描述，该模型包含一个Debye和两个Einstein贡献，温度为ΘD = 195 K，ΘE1 = 78 K和ΘE2 = 277 K，以及由于150 K以上的非谐性而产生的显著贡献。大量弱分散的低能量光学模式（其与声学、载热声子耦合）的存在与非谐热行为结合提供了低晶格热导率的有效机制。ZnSb独特的振动性质是由于其具有多中心成键结构的化学键性质。我们认为，所提出的机制，以解释低晶格热导率的ZnSb也可能控制电子贫半导体，如Zn 4Sb 3，CdSb，Cd 4Sb 3，Cd 13-xInyZn 10，和Zn 5Sb 4 In 2-x的热电性能。
2015-02-20 cond-mat.mtrl-sci
Correlation between vibrational anomalies and emergent anharmonicity of local potential energy landscape in metallic glasses
玻色子峰（BP）是无序和晶体材料的拉曼和非弹性散射光谱中的普遍特征。目前的范式提出了玻色子峰作为弹道（声子）和扩散型激发之间的Ioffe-Regel交叉的结果，其中声子的相干性损失被描述为由于结构无序的纯谐波过程。BP的这种“和谐无序”范式从未在原子水平上受到挑战或测试。在这里，通过一组原子分辨的非晶金属合金的表征，我们发现了一个强大的玻色子峰的强度和激发的激活能之间的反比在势能景观（PEL）。较大的玻色子峰与较浅的盆地和较低的激活障碍，因此，与强烈的非谐部门的PEL。从原子模拟的数值证据表明，太赫兹原子振动的BP在原子玻璃中贡献最大的是强烈的非谐，证明了通过非常大的值的原子和模式分辨Grüneisen参数发现的原子振动构成的BP。这些结果提供了一个直接的桥梁之间的振动光谱和拓扑结构的PEL在固体中，并指向一个新的“巨大的非谐性”的范例，通用的无序材料和声子玻璃的问题，在新兴材料的能源应用。从这个意义上说，无序和非和谐是同一枚硬币的两面。
2022-01-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic phonon behavior via irreducible derivatives: self-consistent perturbation theory and molecular dynamics
本文提出基于不可约导数的自洽微扰方法，结合分子动力学精确计算CaF2的三、四次声子相互作用，证明四声子日落图对高温光学声子线宽的重要贡献，为量子与经典非谐声子研究提供稳健工具。
2023-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical Insights into Non-Arrhenius Behaviors of Thermal Vacancies in Anharmonic Crystals
空位是晶体中普遍存在的点缺陷，但其热响应是难以捉摸的。在这里，我们制定了一个简单的理论模型来阐明在加热过程中的空位演变。通过量子统计力学中的矩递推技术，对振动激发进行了深入的研究。在此基础上，利用Sutton-Chen多体势对Ag、Cu和Ni进行了数值分析。我们的研究结果表明，著名的阿克里乌斯定律是不足以描述的空位的扩散。具体而言，非谐效应导致空位形成的吉布斯能的强非线性。我们的物理图像得到了以前的模拟和实验的支持。
2022-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Effect of anharmonicity on the thermal conductivity of amorphous silica
在导热系数的计算中，适当地考虑非谐性是很重要的。然而，非谐性如何影响非晶材料的热传导仍然是一个悬而未决的问题。在这项工作中，我们揭示了非谐性的作用，非晶二氧化硅（a-SiO2）的热导率通过比较从谐波理论和非谐波理论预测的热导率。此外，我们还探讨了非谐波引起的频率偏移对热导率预测的影响。结果表明，用非谐理论（准谐Green-Kubo近似，QHGK）计算的热导率比用Allen和Feldman的谐理论计算的热导率高。与使用谐波振动频率计算的热导率相比，使用非谐波振动频率也导致更高的热导率。非谐性引起的频率偏移是在较高温度下a-SiO2的热导率的正温度依赖性的机制。对模式扩散系数的进一步研究表明，尽管非谐性对粒子的影响大于扩散子，但非谐性引起的热导率的增加主要是由于非谐性引起的扩散子扩散系数的增加。最后，发现扩散子与扩散子之间的互相关对a-SiO2的热导率贡献最大，而粒子主要通过与扩散子的协同作用对热导率做出贡献。这些结果提供了新的见解的性质，在a-SiO2的热传导。
2022-04-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen phase-IV characterization by full account of quantum anharmonicity
我们设计了一个框架，即使在强量子非谐性的情况下，精确计算分子晶体中的声子。我们的方法是基于路径积分分子动力学模拟的声子松原格林函数的静态极限的计算。我们的方法具有非常低的方差，这使得人们可以计算准确的声子频率后，几皮秒的核动力学，它是进一步稳定的使用适当的约束位移算子。我们将其应用于高压下的固态氢。对于第三阶段，我们预测的红外（IR）和拉曼活性振动子同意非常好的实验。然后，我们通过与振动数据的直接比较来表征第IV相的晶体对称性，并确定其拉曼和红外振动子峰的特征。
2022-06-08 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of phonon anharmonicity and negative thermal expansion in ScF3
采用基于密度泛函理论的非谐自由能方法研究了立方相三氟化钪（ScF 3）大负热膨胀的微观起源.我们表明，传统的准谐波近似（QHA）完全打破ScF3和四次非谐性，处理非微扰的自洽声子理论，是必不可少的再现所观察到的过渡从负到正的热膨胀系数和硬化的R4+软模加热。此外，我们表明，从三次非谐振动自由能的贡献，改进的自洽声子理论评估，是显着的和重要的，从四次非谐稳健的理解的热膨胀系数的温度依赖性。本研究的第一性原理方法使我们能够计算各种热力学性质的固体在热力学极限的三次和四次非谐性的影响。因此，它有望解决许多已知的问题，特别是在高温和强非谐材料的QHA为基础的预测显着。
2019-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Phonon vibrational and transport properties of SnSe/SnS superlattice at finite temperatures
本文研究发现垂直SnSe/SnS超晶格在有限温度下会从Pnma相转变为新型P4/nmm相，该相具有高对称性、强声子散射及优异电子输运特性，在热电和光伏领域潜力巨大。
2025-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic Vibrational States of Double-Well Potentials in the Solid State from DFT Calculations
本文提出基于DFT构建双势阱并求解核薛定谔方程的方法，已集成于CRYSTAL，可显式纳入核量子效应，并用于揭示硫脲两物相软模太赫兹峰的非谐热演化。
2024-10-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.chem-ph
Anharmonic Phonon Quasiparticle Theory of Zero-point and Thermal Shifts in Insulators: Heat Capacity, Bulk Modulus, and Thermal Expansion
准谐波（QH）近似使用谐波振动频率ω（H，Q，V），其在其中Born-Oppenheimer（BO）能量最小的体积附近的体积V处计算。当这用于谐波自由能时，QH近似给出了良好的热膨胀零阶理论和体积模量一阶理论。这里，n阶意味着比首项小n次方，其中n是hbar Ω（Q）/E（el）或kT/E（el）的比率，E（el）是电子能量标度，通常为2至10 eV。实验经常显示下一阶修正的证据。当需要这样的修正时，必须包括非谐相互作用。最容易测量的非谐性是准粒子（QP）能量，ω（Q，V，T），通过振动光谱实验看到。然而，这不能仅仅插入到谐波自由能F（H）中。本文给出了一个自由能公式，它修正了用F（H，ω（Q，V，T））近似F时对非谐相互作用的双重计数。术语“QP热力学”用于这种处理非谐性的方式。如果QH理论精确到n阶，则它能够实现（n+1）阶修正。该程序用于校正比热和体积热膨胀。阐明了等温和绝热体积模量的QH公式，指出了高阶修正的途径。
2015-07-22 cond-mat.mtrl-sci
First-principles calculations of phonon frequencies, lifetimes and spectral functions from weak to strong anharmonicity: the example of palladium hydrides
将变分随机自洽调和近似与密度泛函微扰理论中三阶非谐系数的计算和“$2n+1$“定理相结合，计算了晶体的非谐性质.结果表明，在微扰极限下，这两种方法的结合产生的微扰声子线宽和频移在一个非常有效的方式，避免了显式计算的四阶非谐系数。此外，它还允许计算声子寿命和非弹性中子散射光谱在固体中的谐波近似打破和非微扰的方法是需要处理的非谐性。为了验证我们的方法，我们计算了强非谐钯离子中的非谐声子线宽。我们表明，由于氢光学模式的大的非谐性的非弹性中子散射谱的特点不是由洛伦兹线形，而是由一个复杂的结构，包括卫星峰。
2014-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Role of anharmonic phonon scattering in the spectrally decomposed thermal conductance at planar interfaces
深入了解固体之间的振动传热机制对于纳米材料的有效热工程和控制至关重要。通过计算流经两种材料之间界面的热流的谱分解，研究了平面接触中两种声学失配固体之间的非谐散射和界面热传导的频率依赖性。计算的基础上分析的原子振动的相关性，使用非平衡分子动力学模拟提取的数据。非谐相互作用产生的非弹性效应显着促进热传递的两个质量失配的面心立方晶格之间，即使在频率超过截止频率的较重的材料，由于（i）增强消散的倏逝振动模式和（ii）频率加倍和频率减半的三声子能量转移过程中的接口。结果提供了大量的洞察界面能量传递机制，特别是在高温下，非弹性效应变得重要，其他计算方法是无效的。
2014-10-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Optical conductivity from local anharmonic phonons
近年来，在烧绿石氧化物、填充方钴矿和笼形化合物等多面体笼中，客体离子的局域非简谐振动引起了人们的广泛关注。在一维非谐势模型中，我们从理论上研究了这些所谓的振动声子引起的光电导率。客体离子与电场的偶极相互作用诱导激发，其表示为具有非等间隔能量的振动态之间的跃迁，导致作为非谐效应的自然谱线加宽和峰值频率的移位。在单阱势的情况下，峰值频率的软化和线宽随温度降低的不对称变窄被理解为光谱权重向较低能级跃迁的偏移。另一方面，双最小电位的情况下，导致在电导率谱中的谱峰的多分裂随着温度的降低。
2009-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Vibrational properties and diffusion of hydrogen on graphene
采用路径积分分子动力学模拟研究了氢和氘在单层石墨烯上的化学吸附。在200至1500 K的范围内，通过使用紧束缚势拟合密度泛函计算，这些点缺陷的熔点温度特性进行了分析。一方面，吸附原子的振动性质研究在其平衡位置，连接到C原子。振动显示出明显的非谐性，来自动能和势能之间的比较，以及氢和氘的振动能之间的比较。另一方面，用量子过渡态理论研究了吸附原子的运动。在室温下，发现量子效应将石墨烯片上的氢扩散率提高了20倍。
2009-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Probing anharmonic phonons by quantum correlators: A path integral approach
我们设计了一个有效的方案来确定振动特性的路径积分分子动力学（PIMD）模拟。该方法基于零时间Kubo变换的关联函数，并捕获由于温度和量子效应引起的势的非谐性。使用解析推导和数值计算的玩具模型的潜力，我们表明，两个不同的估计建立在PIMD关联函数充分表征的声子谱和非谐强度。第一个估计器与力-力量子关联函数相关联，并且可以访问量子系统的基频和热力学性质。第二个连接到位移-位移关联函数，并以高精度探测最低能量的声子激发。我们还证明，使用广义本征值方程，在标准的简正模方程，导致显着的加速在PIMD声子计算，无论是在更快的收敛速度和更小的时间步长偏置。在这个框架内，使用从头算PIMD模拟，我们计算的声子分散金刚石和高压I41/amd阶段的原子氢。我们发现，在后一种情况下，非谐性比以前估计的更强，并产生相当大的红移原子氢的振动光谱。
2021-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Investigating Anharmonicities in Polarization-Orientation Raman Spectra of Acene Crystals with Machine Learning
MPI for the Structure and Dynamics of Matter（物质结构与动力学马普研究所）
利用机器学习研究分子晶体极化-取向拉曼光谱中的非谐振效应，揭示非谐振晶格动力学对拉曼强度的影响。
2026-01-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Zirconium Carbide as a High-Temperature Benchmark for the Beyond Quasi-Harmonic Method
University of Indianapolis（印第安纳波利斯大学）
本研究以碳化锆为高温基准，验证超越准谐波方法能准确捕捉非谐声子贡献，显著提升摩尔热容计算精度。
2026-09-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Algebraic Approach to Molecular thermodynamics
基于李代数和离散对称性技术的代数模型被应用于分子热力学振动性质的分析。局域非谐效应用类Morse势描述，相应的非谐玻色子与SU（2）代数相关联。根据模型参数，导出了振动高温配分函数和相关的热力学函数。引入了与比热有关的临界温度的概念。给出了与该模型相关的量子形变的物理解释。
2002-03-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
The vibrational properties of benzene on an ordered water ice surface
本文提出了一种CCSD（T）+PBE-D3混合方法来计算气相苯和苯吸附在有序水-冰表面的振动特征。我们比较我们的方法对实验记录的光谱和计算使用PBE-D3的方法（谐波和非谐波）的结果。计算使用质子有序XIh水冰表面组成的288个水分子，并与实验记录的ASW冰表面的光谱结果进行比较。我们显示的重要性，包括水冰表面光谱计算，由于所得的振动模式，频率和强度的红外光谱中看到的过渡。的整体强度图案转移从一个占主导地位的$ν_{11}$带在气相中的几个高强度载体的红外光谱的吸附苯。当用于吸附苯时，本文提出的混合方法实现了21 cm $^{-1}$的IR活性模式的RMSD，而非谐波和谐波PBE-D3方法分别为72 cm $^{-1}$和49 cm $^{-1}$。与实验相比，我们的气态苯混合模型也获得了最佳结果，与非谐波和谐波PBE-D3方法的55 cm $^{-1}$和31 cm $^{-1}$相比，IR活性模式的RMSD为24 cm $^{-1}$。为了便于分配，我们生成并提供了一个对应关系图的正常模式的气体和吸附的苯分子。最后，我们计算的频率偏移，$Δν$，吸附苯相对于其气相突出的表面相互作用对振动带的影响，并评估我们选择的色散校正密度泛函理论的适用性。
2021-07-15 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Diffuse Inelastic Neutron Scattering from Anharmonic Vibrations in Cuprite
该研究通过非弹性中子散射和分子动力学模拟，揭示了赤铜矿在高温下弥散非弹性散射源于氧原子与铜原子非谐相互作用导致的随机相位偏移。
2023-09-02 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Thermodynamic properties of ε-Fe with thermal electronic excitation effects on vibrational spectra
六方晶系铁（ε-Fe）的热力学性质是研究行星核内部结构和动力学性质的基础。尽管它们对行星科学的重要性，在相关条件下对ε-Fe的实验研究仍然具有挑战性。因此，从头计算是至关重要的，以阐明该系统的热力学性质。在这里，我们使用的自由能计算方案的基础上的声子气体模型与温度相关的声子频率兼容。我们研究了电子热激发的影响，它引入了温度对声子频率的依赖性，以及在极端压力（P）和温度（T）条件下ε-Fe的热力学性质的含义。我们忽略声子-声子相互作用，即，非谐性及其对声子频率的影响。然而，目前的计划也适用于T相关的非谐波频率。我们的结论是，热电子激发对振动性质的影响是不显着的~ 4,000 K在200 GPa，但不应该被忽略在更高的温度或压力。然而，静态自由能Fst必须始终完全包括TS连续统中的热激发效应。等熵状态方程的结果与最近在国家点火装置（NIF）进行的高达1,400 GPa的斜坡压缩实验的数据吻合得很好。
2021-02-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Intermittent rearrangements accompanying thermal fluctuations distinguish glasses from crystals
在凝聚态物理中一直存在的一个问题是，玻璃的振动性质和热性质与晶体的明显不同。虽然最近的工作已经推进了我们的理解，在谐波近似极限的玻璃中的振动激发，在理解有限温度的非谐过程的努力受到限制。众所周知，晶体中的声子通过声子-声子相互作用耦合，这是一种非常有效的非谐衰减机制，在玻璃中也很重要。然而，在这里，我们表明，一个额外的非谐通道不同的起源出现在玻璃的情况下，这会引起间歇性的粒子重排。我们已经发现，玻璃中的热振动触发了能量景观的许多不同的局部极小值之间的转变，然而，这些极小值位于同一宽（Meta）盆地内。这些过程产生的运动是不同的扩散和平衡老化动力学。我们认为，间歇性重排伴随着热波动的关键功能区分玻璃晶体。
2020-06-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
