通訊單位：Lawrence Livermore National Laboratory

DOI：10.1038/s41586-020-03140-4

背景介紹

碳是宇宙中第四大流行元素，且是所有已知生命必不可少的元素，並以元素形式存在於包括石墨、金剛石和富勒烯等多種同素異形體中。長期以來人們一直預測，在比地球核心更大的壓力下，甚至可以存在更多的結構。人們預計其在多個太帕（Multi-TPa）中將存在好幾個相，這對於富含碳的系外行星內部的準確建模很重要。

然而，Multi-TPa的壓力遠超過實驗室中使用砧座在靜態條件下所能達到的壓力。儘管可以通過沖擊壓縮獲得如此高的壓力，但根據對衰減的衝擊波中所表現出的熵變化的研究，這種高度熵的過程開始熔化高於0.6 TPa的金剛石。實際上，由於預計在各相之間存在巨大的焓壘，因此在實驗室壓縮實驗中金剛石是否以及如何轉變成預測相中的一個絕不是簡單的問題。近來開發了一種稱為斜波壓縮的新動態高壓技術，與透過樣本的聲波傳播時間相比，樣本的壓縮時間更長，從而減少了耗散過程並保持樣本的溫度低於其損壞的狀態。

本文亮點

1、透過使用斜坡形鐳射脈衝將固體碳壓縮到2TPa（2000萬個大氣壓，是地球核心壓力的五倍以上），並同時測量納秒持續時間的X射線衍射，作者發現固體碳保留的金剛石結構遠遠超出其預測的穩定性範圍。

2、作者的實現資料表明金剛石在0.8 TPa和2 TPa之間沒有發生相變，這是有史以來最高壓力的衍射測量結果。

3、這項工作幾乎使在任何材料上實時記錄X射線衍射的最高壓力幾乎翻倍，促進了高壓物理的發展。

圖文解析

▲圖1. DFT預測的相界總結的碳相圖，Hugoniot資料和預測的熱力學路徑

要點：

1、基於TPa級壓力下碳晶相的密度泛函理論（DFT）的理論計算表明，體心立方（BC8; Ia3）和簡單立方（ SC1; Pm3m和SC4; P4332）相的焓值比FC8低約1 TPa以上，而BC8是第一個在1 TPa左右滿足此條件的相。

2、0K時的模擬報告表明，預測的BC8相將不會在快速壓縮下形成，且FC8相將持續存在，直到在3 TPa附近變得機械不穩定。然而在高溫下，原子可自由地遵循替代的相變途徑，且某些相的形成焓較低。

▲圖2. 實驗資料結果

要點：

1、結果證實了以下預測：金剛石的四面體分子軌道鍵的強度在巨大壓力下仍會持續，從而導致較大的能壘，阻礙了向更高穩定的高壓同素異形體的轉化，就像在大氣壓下動力學上阻礙了亞穩金剛石的石墨形成一樣。

2、超過其預測相界直至1 TPa的亞穩FC8相的永續性為碳sp3鍵的非凡強度和穩定性提供了進一步的證據。

▲圖3. 實驗資料與理論預測對比

▲圖4. FC8和BC8晶體結構

要點：

1、作者使用X射線衍射直接探測了在超高壓力狀態下金剛石的晶體結構，發現在TPa壓力狀態下的幾個相比已知的FC8結構更穩定。

2、作者在2 TPa處觀察到的固體斜面壓縮金剛石也為熔融曲線、強度和轉化為熱的塑性功的模型設定了界限。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03140-4