理論模型預測了，在極端壓力和溫度條件下，材料非常不尋常的結(jié)構(gòu)和特性。迄今為止，超高壓實驗的技術(shù)復雜性和材料分析的原位方法的缺乏，都阻礙了它們在200 GPa以上的合成和研究。

在此，來自德國拜羅伊特大學的Leonid Dubrovinsky和瑞典林雪平大學的Igor A. Abrikosov等研究者報道了一種方法，該方法開發(fā)用于在激光加熱的TPa模式下進行的靜態(tài)壓縮實驗。相關(guān)論文以題為“Materials synthesis at terapascal static pressures”于2022年05月11日發(fā)表在Nature上。

物質(zhì)的狀態(tài)，受到化學成分和外部參數(shù)(如壓力和溫度)的變化的強烈影響，從而使材料性能得以調(diào)整。由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，與廣泛的科學學科和技術(shù)應用有關(guān)，從對宇宙的基本理解到高級材料的定向設計。眾所周知，壓縮有助于金屬到絕緣體的過渡，超導性和新的物質(zhì)超態(tài)。

近年來，金剛石壓腔實驗技術(shù)的發(fā)展，特別是雙級環(huán)面金剛石頂錘單元(dsDACs和tDACs)的發(fā)明，使材料合成和高、超高壓下結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的研究取得了突破性進展。最近的例子是發(fā)現(xiàn)了一種新的氮同素異形體bp-N，它解決了人們對氮族元素高壓行為的理解中的一個難題，以及大量新型過渡金屬氮化物和聚氮化物的合成，包括金屬無機框架，這是一類新的化合物，在兆巴壓縮下具有開放多孔結(jié)構(gòu)。

由于研究者在產(chǎn)生數(shù)兆巴的壓力和在超高壓下單晶X射線衍射(XRD)方面的專業(yè)知識的協(xié)同作用，使得解決和細化固體的晶體結(jié)構(gòu)成為可能，這些固體可直接由激光加熱的傳統(tǒng)DACs中的元素在高達2兆巴的壓力下合成。由于高壓高溫合成，已經(jīng)成為一種成熟的材料發(fā)現(xiàn)技術(shù)，將調(diào)查擴展到TPa區(qū)域一直是人們所期望的。

為此，研究者報告了一種高壓高溫合成實驗的方法，它將高壓結(jié)晶學的限制擴展到TPA范圍。為了達到預期的壓力，研究者結(jié)合了環(huán)形和雙級頂砧設計。在激光加熱的dsDAC中，在Re-N體系中進行了三次不同的實驗，合成了錸氮合金和氮化錸Re7N3。研究者利用單晶XRD原位對其進行了完整的結(jié)構(gòu)和化學表征。

研究者用這種方法，在激光加熱的雙級金剛石頂砧單元中，實現(xiàn)了壓力約為600和900吉帕斯卡，獲得了錸氮合金，并合成了氮化錸Re7N3，正如理論分析表明，只有在極端壓縮下才穩(wěn)定。

圖1. 在dsDAC #1中對Re和N2脈沖激光加熱的樣品進行XRD測試

圖2. 激光加熱dsDAC中相的晶體結(jié)構(gòu)

圖3. Re7N3的生成焓

數(shù)兆巴以上的壓力，長期以來一直被認為對材料的化學和物理有深遠的影響，并導致具有奇異晶體結(jié)構(gòu)相的形成。在這項工作中，研究者已經(jīng)證明，在高達600 GPa的壓力下，在激光加熱的dsDAC中可以合成新的化合物，并且它們的結(jié)構(gòu)可以在原位被解析。通過將高壓合成和結(jié)構(gòu)研究的實驗領域擴展到TPa范圍，該工作為新材料的發(fā)現(xiàn)和新物理現(xiàn)象的觀察鋪平了道路。

文獻信息：

Dubrovinsky, L., Khandarkhaeva, S., Fedotenko, T.?et al.?Materials synthesis at terapascal static pressures.?Nature?605,?274–278 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04550-2