最近，来自南京大学物理学院孙建教授课题组的潘书宁、施九洋、梁智新等人，在《Physical Review B》上发表了题目为“Shock compression pathways to pyrite silica from machine learning simulations”的研究论文【Phys. Rev. B 110, 224101 (2024), DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.224101】。如果用户使用了 GPUMD 中的冲击压缩方法，请引用该文章。
研究二氧化硅（SiO2）的高压相，对包括地质学、行星科学和凝聚态物理学在内的多个学科具有很大意义，因为二氧化硅是地球地壳的主要组成部分，并在太阳系和系外类地行星中大量存在。在高压下，二氧化硅会发生多种结构相变，其中，斯石英是一个非常适合作为冲击压缩初始样品的材料，因为斯石英可以在高压下合成，而卸压到常压后也能保持亚稳，其密度比石英、熔融石英更高，因此有望用于合成更高压强的固体相。
目前有两种主要的冲击压缩分子动力学方法，分别为平衡态分子动力学（如 MSST 和 Hugoniostat）和非平衡分子动力学（NEMD），这两类方法各有其优点和局限性，均已在GPUMD中实现。在本研究中，研究者们训练了一个NEP模型并同时使用了NEMD 和 MSST 方法，并详细地对比了它们的结果，以确保结果的可靠性。
该研究表明，斯石英向黄铁矿型结构转变的相变过程，对冲击波的方向具有很强的依赖性。沿 [100] 方向，斯石英通过有限位移型（无扩散）相变转变为黄铁矿相，每个原子在到达新的平衡位置之前，只会移动很短的距离。自由能计算表明，这个相变具有很低的势垒。与之相反，当沿 [110] 和 [001] 方向进行冲击压缩时，斯石英表现出双冲击波结构，包含一个高速的弹性前驱和一个波速较慢的塑性波。在特定冲击速度范围内，斯石英晶格被冲击波破坏，形成无序结构，最后结晶成黄铁矿相。该研究发现了斯石英的冲击方向和相变路径之间的相关性，为未来的冲击压缩实验提供了重要参考。
图1 NEP力场的对角线图和误差。
图2 支持向量机（SVM）结构识别的工作流程。
图3 [100]，[110]和[001] 方向的冲击压缩Hugoniot曲线。(a) Vp-Vs 关系，其中NEMD、MSST和实验数据用不同标记表示。(b-c) 压强-温度和体积-压强关系。
图4 [100]方向的冲击压缩模拟。(a) NEMD模拟的截图。我们用不同的颜色标记了不同种类的原子。(b) Vp=4 km/s时粒子速度的空间分布。(c)不同种类原子比例的空间分布。(d)斯石英和黄铁矿相的晶体结构，其中标示了斯石英的(011)平面和黄铁矿相的(100)平面。
图5 [001]方向的冲击压缩模拟。(a) NEMD模拟的截图。 (b) Vp=4 km/s时粒子速度的空间分布。(c) MSST模拟中不同种类原子比例的时间演化，其中实线魏黄铁矿相的比例，虚线为斯石英的比例。(d) MSST模拟中温度的时间演化。(e)
Vp=4.92 km/s下MSST模拟的截图。
图6斯石英-黄铁矿相二氧化硅相变投影到(a)二维和(b)一维的自由能面。
图7从斯石英到黄铁矿相二氧化硅的两种相变路径示意图。
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