愛明諾夫獎得主再發Nature！極高壓力下的材料合成與性質研究

一、【導讀】

物質的狀態受到化學成分和外部參數（如壓力和溫度）變化的強烈影響，從而可以調整材料特性。這導致了與多種應用相關的各類現象，從對宇宙的基本理解到對先進材料的定向設計。眾所周知，壓縮可以促進金屬到絕緣體的轉變、超導性和新的“超級”物態。盡管理論模型可以預測其非同尋常的結構和特性，但是在極高的壓力和溫度下，材料的結構和性能在很大程度上仍是“未知領域”。迄今為止，由于超高壓實驗的技術復雜性和缺乏材料原位分析的方法，導致在200 GPa以上的材料合成和研究嚴重受阻。

二、【成果掠影】

近日，德國拜羅伊特大學的Leonid Dubrovinsky和瑞典林雪平大學的Igor A. Abrikosov教授等人聯合報道了一種利用激光加熱，在TPa區域進行的靜態壓縮實驗。利用這種方法，研究人員在激光加熱的雙級金剛石對頂砧中實現了約600?和900? GPa的壓力，從而導致了錸氮合金化并實現了Re₇N₃的合成。正如理論分析所示，它僅在極端壓縮下穩定，只能在實驗進行時對其表征，為此，研究人員使用同步輻射單晶X射線衍射進行原位化學和結構表征，證明了該方法可以將高壓晶體學擴展到TPa。該論文以題為“Materials synthesis at terapascal static pressures”發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

1、利用激光加熱，在激光加熱的雙級金剛石對頂砧中實現了約600?和900? GPa的壓力，實現Re₇N₃的合成。

2、對僅在極端壓縮下穩定的化合物進行了原位解析，并與理論預測對比，驗證了方法的可行性。

四、【數據概覽】

圖一、在ds-DAC #1中對Re和N₂脈沖激光加熱的樣品進行XRD測試 ??2022 Springer Nature

?

（a）dsDAC #1壓力室中不同相（Re和Re₇N₃）的X射線二維分布圖。

（b）帶有衍射線和Re斑點的衍射圖像的示例。

（c-d）Re和Re₇N₃的重建倒易晶格面。

圖二、激光加熱ds-DAC中相的晶體結構???2022 Springer Nature

（a）dsDAC?#1中905(5)?GPa的六邊形錸晶體結構。

（b）在730(4)?GPa下的立方（B1 NaCl型）錸-氮固溶體ReN_0.2的晶體結構。

（c）六邊形Re₇N₃的晶體結構。

圖三、Re₇N₃的生成焓???2022 Springer Nature

理論預測（黑色方塊）和實驗已知（紅色方塊，Re₃N和ReN₂(P2₁/c)、ReN₂?(P4/mbm)、ReN₁₀?(Immm)）在ReN_x系統中的競爭高壓相，計算分別在100?GPa (a)、730?GPa (b)和900?GPa (c)的壓力下進行。

五、【成果啟示】

長期以來，研究人員認為數兆巴以上的壓力對材料的化學和物理性質具有深遠的影響，并導致形成具有奇異晶體結構的相。在這項工作中，研究人員已經證明，在超過600 GPa的壓力下，在激光加熱的dsDAC中可以合成新的化合物（Re₇N₃），并對它的結構進行了原位解析。這種通過將高壓合成和結構研究的實驗領域擴展到TPa范圍的研究方法為新材料的發現和新物理現象的觀察鋪平了道路。

文獻鏈接：Materials synthesis at terapascal static pressures?(?Naure?2022, 605, 274-278)

本文由賽恩斯供稿。