合肥工业大学科研团队观测到锂离子化合物晶体结构对称性破缺

日前，合肥工业大学材料学院陈雷教授科研团队联合国内外有关科研院所，创新性地采用3价铕离子光谱探针，成功探测到锂离子化合物晶体结构对称性破缺。其相关研究成果刊登于国际著名学术期刊《先进科学》（Advanced Science [https://doi.org/10.1002/advs.201802126]）。

对称是自然世界的和谐与美。对称与守恒的如此重要意义，一直主导着现代物理学的发展。然而，世界上很多变化与纹理结构往往是由对称性破缺引起，包括宇宙的形成、物种的起源、生物多样性、以及丰富多彩的分子结构。对称性破缺并不是没有对称性，而是降低为对称性更低的子群。在对称性破缺研究方面，已经出现了多位诺贝尔物理奖获得者。李政道先生认为，所有对称性原理根植于无法观测到某些基本量的理论假设上。不可观测即意味着对称。反之，任何对称性破缺的发现，都表明存在某个可观测量。但对于实验而言，寻找隐藏在超精细结构下的某个可观测量是巨大挑战。

陈雷教授等利用3价铕离子光谱探针发现锂离子化合物Li2SrSiO4中存在对称性破缺。前人研究认为，锂离子化合物Li2SrSiO4具有P3121空间群对称性的长程均匀结构，但是在该结构模型中锶离子只有一种格位，无法合理解释其性能和作用机理。陈雷教授等人利用3价铕离子光谱学探针发现Li2SrSiO4晶体结构中存在两种2价锶离子格位，其局域具有对称性更低的C2空间群结构，并且来自两种格位3价铕离子的5D0-7F0电子跃迁波长峰值相差仅0.2纳米。

这一成果不仅有助于区分材料的超精细结构，而且为探测局域结构提供了一种简便而功能强大的光学工具。该成果有助于我们更深入理解材料的性能与机理。

该论文由合肥工业大学、合肥工业大学智能制造技术研究院、北京大学、中国科学技术大学、国家同步辐射研究中心（台湾）、北航合肥创新研究所、广东省科学院广东省稀有金属研究所、德国莱比锡大学多家单位共同完成。合肥工业大学材料学院陈雷教授为第一和通讯作者，硕士生程鹏为第二作者，北京大学李国宝副教授和德国莱比锡大学Oliver Oeckler教授为论文共同通讯作者。Advanced Science为Wiley旗下综合类期刊，其影响因子为15.804。（通讯员：程鹏 周慧）

图1 分别在低温10K与20K采用荧光光谱仪和光学参量振荡器（OPO）测试Eu3+在锂离子化合物Li2SrSiO4中发射光谱

图2锂离子化合物Li2SrSiO4的X射线衍射、中子衍射和电子衍射谱图

图3锂离子化合物Li2SrSiO4中Sr的K-边扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)

图4通过理论计算揭示与P3121和C2两种空间群晶体结构对应的锂离子化合物Li2SrSiO4的电子结构精细差异

图5离子化合物Li2SrSiO4的三维晶体结构、Sr离子所处的[LiO4]和[SiO4]多面体通道、对称性破缺机理、以及Sr离子在P3121和C2空间群两种结构模型中的多面体配位