1. 采用斜坡压缩技术，对金刚石在2TPa下的结构稳定性进行了研究；2. 将准单色X射线引入该研究，实现对物质结构在数TPa下的测量成为可能。3. 大量强sp3键引起的高焓势垒阻碍了金刚石在高压下的结构转变。碳是宇宙中第四普遍的元素，且对所有已知的生命都是必不可少的。在元素形式中，它以多种同素异形体存在，包括石墨、金刚石和富勒烯，并且长期以来一直认为，在比地球核心压力更大的压力下，可能存在更多的结构形式。据预测，在数太帕（terapascal）范围内存在多个相，这对于精确模拟富含碳的外行星内部十分重要。近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室A. Lazicki团队在最新一期Nature上，以“Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals”为题发表研究进展，通过使用斜坡形激光脉冲将固体碳压缩到2 TPa(2000万个大气压，超过地球核心压力的5倍以上)，并同时测量纳秒级时间分辨X射线衍射，发现在远超出了其预测的稳定性范围内，固体碳保留了金刚石结构。结果说明，金刚石中四面体分子轨道键的强度在巨大压力下持续存在，形成大的能量势垒，阻碍其向更稳定的高压同素异形体转化。这项工作几乎是在任何材料上记录X光衍射的最高压力的两倍。在地球上，碳可以以多种不同的同素异形体存在，其中石墨和金刚石最为人所知。金刚石具有面心立方结构(空间群Fd3m，这里称为FC8)，由于其高抗压强度和高热导率，具有许多重要的特异性能。太帕斯卡(TPa)压力下的碳相图与我们太阳系内外的行星结构直接相，在TPa级压力下，基于密度泛函理论（DFT）的碳晶相的理论计算有很长的历史，普遍认为在约1 TPa以上，体心立方(BC8；Ia3)和简单立方(SC1；Pm3m和SC4；P4332)相的焓低于的FC8，且BC8在约1 TPa时最先满足这一条件(图1)。数TPa压力远远超过实验室使用砧座在静态条件下所能达到的压力。根据对衰减冲击波(图1)中显示的熵变化的研究，尽管冲击压缩可以获得如此高的压力，但是这种高熵过程在0.6 TPa以上开始熔化金刚石。最近开发了一种新的动态技术，称为斜坡压缩，样品在比声波通过样品的时间更长的时间尺度上被压缩，从而减少了耗散过程，并保持样品比在冲击状态下更冷。
图1. 碳相图总结了DFT理论预测的相界、Hugoniot数据和预测的热力学路径。事实上，在实验室压缩实验中，金刚石是否以及如何转变成预测的相态，远不是可以简单回答的问题，因为不同相之间存在很大的焓垒。先前0 K下的模拟结果称，预测的BC8相在快速压缩下永远不会形成，FC8相将持续存在，直到在3 TPa附近变得机械不稳定。然而，在高温下，原子可以自由地遵循其它转化途径，因此某些相的生成焓较低。在2 TPa和4000 K时，预测FC8将转变为能量密度更低的SC1相，在300K和2.5TPa时，预测FC8将转变为另一种亚稳态SC4结构。预测结果还表明，BC8将在大约1 TPa时形成，但仅能从SC1相转化来。为了探究这些丰富而复杂的相图区域，有必要将结构的原位表征和高压过程相结合。结合使用激光烧蚀的动态斜坡压缩，可以通过以高激光强度照射单独的目标来产生准单色X射线发射，然后这些X射线可以在纳秒压缩时间内用于X射线衍射和结构确定，这使得对结构进行数TPa下测量成为可能。在此，作者报告了金刚石斜坡压缩实验的结果，同时用X光衍射测量了结构。据目前数据显示，这是目前在最高应力下获得的X光衍射信息，结果发现金刚石仍然是固体，并保留了FC8相。图2显示了1.74 TPa和2 TPa时的德拜-谢勒图，以及所有报告图片的方位角平均线。在0.8 TPa时，FC8结构的(111)、(200)和(311)衍射峰是可识别的。随着应力的增加，(311)峰的散射角接近图像的边缘，在1 TPa和2 TPa之间，只有(111)和(220)峰可以被看到。
图3所示的峰值位置和推断密度与之前的测量值非常一致。在图3中，还显示了BC8、SC1和SC4结构的衍射角位置，没有数据显示产生了新相。该实验结果没有观察到BC8相的最可能的原因是由于存在大量强sp3键引起的高焓势垒，这些键必须被破坏才能改变结构。
FC8和BC8相显示在图4中，尽管两者都可以看作是6元环中sp3键合的碳层，但并没有简单的从一个转变为另一个。FC8层由锯齿形层间键结合，这使该结构具有独特的开放通道。BC8层间键形成螺旋链，相邻层随之移动，消除了开放通道。已经提出的转化机制显示，需要求每个原子至少有1.5个键断裂才能转化。由于sp3键的稳定性，会产生很大的能量损耗。相比于Si和Ge，由于原子核心中缺少p轨道电子，碳的sp3键更强。在室温条件下，预测的FC8和BC8之间每原子约存在2.5eV的焓势垒，接近亚稳态FC8和稳定石墨相之间的势垒，尽管这种转变是自发的，但需要地质时间尺度。因此，我们在大约10ns的斜坡压缩实验中没有观察到FC8到BC8的转变也就并不奇怪。
使用X光衍射，作者在此研究中直接探测了金刚石在压力状态下的晶体结构。实验数据结果没有显示0.8 TPa到2 TPa之间的相变，这是有史以来报道的最高压力衍射测量结果。在超过其预测相界高达1 TPa下，亚稳态FC8相的持久性进一步证明了碳sp3键的非凡强度和稳定性。在2 TPa下观察到的固体斜坡压缩金刚石结果，也为熔体曲线、强度和塑性功转化为热的程度的模型设定了界限。A. Lazicki, et al. Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals, Nature, 2021, 589: 532-535.DOI: 10.1038/s41586-020-03140-4https://www.nature.com/articles/s41586-020-03140-4
