这个材料又登上《Nature》正刊！压缩到2万亿帕，结果远超预期！
碳是宇宙中第四普遍的元素，是所有已知生命的基本元素。碳以多种同素异形体存在，包括石墨、钻石和富勒烯等。很久以前，人们就预测，在比地核更大的压力下，可能存在更多的结构。一些相已经被预测存在于多超纬度体系中，这对于精确模拟富含碳的系外行星内部是很重要的。金刚石领域近期在顶刊发表了多项成果，比如：
近日，来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的A. Lazicki等研究者，通过使用斜坡状的激光脉冲，将固体碳压缩到2万亿帕(2000万大气压；是地核压力的五倍)，同时借助纳秒时间分辨的X射线衍射测量，发现固体碳保留了远远超出其预测的稳定状态的金刚石结构。相关论文以题为“Metastability of diamondramp-compressed to 2 terapascals”发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03140-4
在地球上，碳可以以多种不同的同素异形体存在，其中石墨和钻石是最为出名的，尽管也有其他几种碳单质存在，或已被预测为稳定的同素异形体。金刚石，是碳的面心立方形式(空间群，这里称为FC8)，由于其抗压强度和高导热性，具有许多重要的技术特性。在兆帕(TPa)体系的压力下，碳的相图与太阳系内外的行星结构直接相关。基于密度泛函理论(DFT)的碳晶相在TPa-尺度压力下的理论计算由来已久，人们普遍认同，在1 TPa以上，以体心立方(BC8；)和单立方(SC1；, SC4；P4332)相的焓比FC8低，在1 TPa左右，BC8是第一个满足此条件的(图1)。
图1 碳相图总结了DFT预测的相边界、Hugoniot数据和预测的热力学路径
TPa压力远远超过了那些可以在实验室静态条件下实现的压力。虽然通冲击波压缩可以获得如此高的压力，但根据对衰减激波所表现出的熵变研究(图1)，这个高度熵的过程在0.6TPa以上就开始熔化钻石。然而最近，一种新的动态技术被称为斜坡压缩，它在一个时间尺度上压缩一个样本，这个时间尺度比声波通过样本的时间要长，从而减少耗散过程，并保持样品比在冲击状态下的温度更低。利用这种技术，金刚石之前已经在美国加州利弗莫尔的国家点火设施中，被斜压至创纪录的5 TPa高压(由于是单轴加载，所以纵向应力更精确)。这个斜坡的数据没有给出一个相变的指标，如稳定期中速度坡道的变化引起的声速。第二个实验研究解释了，在熔点附近的Hugoniot冲击数据的微妙趋势，可作为FC8-BC8-液体三相点接近1 TPa的证据。然而，这两项研究都没有对结构进行测量。
事实上，在实验室的压缩实验中，钻石是否以及如何转变为预测的相之一，都不是一个简单问题，因为预测在相之间存在巨大的焓垒。零开尔文的模拟报告中，预测的BC8相在快速压缩下永远不会形成，而FC8相将持续存在，直到它在接近3 TPa时变得力学不稳定。然而，在高温下，原子被释放，遵循不同的转换路径，某些相的生成焓较低。在2TPa和4000 K时，预计FC8会转变为能量较低(但仍是亚稳的)SC1相，在300 K和2.5 TPa时，预计FC8会转变为另一种亚稳的SC4结构。人们还预测BC8会在大约1TPa时形成，但只有在从SC1期释放时才会形成。因此，为了探索这一丰富而复杂的现象，必须将最强大的压力驱动因素与结构原位探测相结合。
与激光烧蚀的动态斜坡压缩相结合，在高激光强度下辐照分离的目标可以产生准单色X射线发射，然后这些X射线，可以在纳秒压缩期间用于X射线衍射和结构测定。在此，研究者报告了，金刚石斜面压缩至2 TPa的实验结果，同时对结构进行了X射线衍射测量。研究者发现，固体碳保留的金刚石结构远远超出其预测的稳定状态。这一结果证实了之前的预测，即在巨大的压力下，金刚石中的四面体分子轨道键的强度会持续存在，导致了巨大的能量位垒，阻碍了向更稳定的高压同素异形体的转换，就像亚稳金刚石形成石墨一样，在大气压力下存在动力学障碍。
图2 实验数据总结
图3 实验数据与理论预测的比较。
图4 FC8和BC8晶体结构。
综上所述，研究者利用X射线衍射技术，直接研究了金刚石在压力状态下的晶体结构，在这种情况下，有几种相比已知的FC8结构更稳定。研究数据显示，没有证据表明在0.8 TPa和2 TPa之间有相变，这是有史以来报道的最高压力衍射测量。亚稳FC8相的持续存在，超过其预测的相边界达1 TPa，进一步证明了碳sp3键的非凡强度和稳定性。在2 TPa下对固体斜坡压缩金刚石的观察，为熔化曲线的模型、强度和塑性功转化为热的程度设定了一个界限。（文：水生）