爱明诺夫奖得主再发Nature！极高压力下的材料合成与性质研究

一、【导读】

物质的状态受到化学成分和外部参数（如压力和温度）变化的强烈影响，从而可以调整材料特性。这导致了与多种应用相关的各类现象，从对宇宙的基本理解到对先进材料的定向设计。众所周知，压缩可以促进金属到绝缘体的转变、超导性和新的“超级”物态。尽管理论模型可以预测其非同寻常的结构和特性，但是在极高的压力和温度下，材料的结构和性能在很大程度上仍是“未知领域”。迄今为止，由于超高压实验的技术复杂性和缺乏材料原位分析的方法，导致在200 GPa以上的材料合成和研究严重受阻。

二、【成果掠影】

近日，德国拜罗伊特大学的Leonid Dubrovinsky和瑞典林雪平大学的Igor A. Abrikosov教授等人联合报道了一种利用激光加热，在TPa区域进行的静态压缩实验。利用这种方法，研究人员在激光加热的双级金刚石对顶砧中实现了约600 和900  GPa的压力，从而导致了铼氮合金化并实现了Re₇N₃的合成。正如理论分析所示，它仅在极端压缩下稳定，只能在实验进行时对其表征，为此，研究人员使用同步辐射单晶X射线衍射进行原位化学和结构表征，证明了该方法可以将高压晶体学扩展到TPa。该论文以题为“Materials synthesis at terapascal static pressures”发表在知名期刊Nature上。

三、【核心创新点】

1、利用激光加热，在激光加热的双级金刚石对顶砧中实现了约600 和900  GPa的压力，实现Re₇N₃的合成。

2、对仅在极端压缩下稳定的化合物进行了原位解析，并与理论预测对比，验证了方法的可行性。

四、【数据概览】

图一、在ds-DAC #1中对Re和N₂脉冲激光加热的样品进行XRD测试 © 2022 Springer Nature

（a）dsDAC #1压力室中不同相（Re和Re₇N₃）的X射线二维分布图。

（b）带有衍射线和Re斑点的衍射图像的示例。

（c-d）Re和Re₇N₃的重建倒易晶格面。

图二、激光加热ds-DAC中相的晶体结构 © 2022 Springer Nature

（a）dsDAC #1中905(5) GPa的六边形铼晶体结构。

（b）在730(4) GPa下的立方（B1 NaCl型）铼-氮固溶体ReN_0.2的晶体结构。

（c）六边形Re₇N₃的晶体结构。

图三、Re₇N₃的生成焓 © 2022 Springer Nature

理论预测（黑色方块）和实验已知（红色方块，Re₃N和ReN₂(P2₁/c)、ReN₂ (P4/mbm)、ReN₁₀ (Immm)）在ReN_x系统中的竞争高压相，计算分别在100 GPa (a)、730 GPa (b)和900 GPa (c)的压力下进行。

五、【成果启示】

长期以来，研究人员认为数兆巴以上的压力对材料的化学和物理性质具有深远的影响，并导致形成具有奇异晶体结构的相。在这项工作中，研究人员已经证明，在超过600 GPa的压力下，在激光加热的dsDAC中可以合成新的化合物（Re₇N₃），并对它的结构进行了原位解析。这种通过将高压合成和结构研究的实验领域扩展到TPa范围的研究方法为新材料的发现和新物理现象的观察铺平了道路。

文献链接：Materials synthesis at terapascal static pressures ( Naure 2022, 605, 274-278)

本文由赛恩斯供稿。