碳中存在多重液-液相变及其液态的 Friedel 有序化证据

碳是宇宙中第四丰富的元素，熔化时形成具有瞬态共价键的金属流体。其液-液相变一直通过模拟被 intensive 寻求却难以捉摸。在此，我们使用多达 108 个原子的密度泛函理论 (DFT) 分子动力学模拟，以及中性赝原子方法中实现的单位点 DFT（其中多原子效应通过离子-离子关联泛函处理）。两种方法均使用电子-电子交换关联泛函处理电子多体效应。在此我们通过两种方法表明，液态碳在密度范围 3 g/cm$^3$ 至达到配位数 12 的 $\sim$ 6 g/cm$^3$ 内显示出与配位数变化相关的多重液-液相变。这些相变在温度达到 4 eV 时消失。计算所得压力和相变密度对所用交换关联泛函敏感。显著的是，我们发现一个简单的金属模型可在不调用任何共价键特征的情况下定量准确地给出结构因子和热力学量。发现这些密度和温度下的离子-离子结构因子具有一个与费米波矢两倍相关的次峰，从而在动量空间约束该流体。形成对相互作用的主导 Friedel 振荡使离子关联并驱动多重液-液相变。我们的结果表明液态碳代表了一类其结构由对势中长程 Friedel 振荡所有序化的流体。这些结果对地球与天体物理研究、使用碳驱动器的惯性聚变、精细冲击实验以及寻找新型碳基材料至关重要。