实验以创纪录的压力探测碳的晶体结构–是地球核心压力的五倍

艺术家绘制的55 Cancri e（碳含量高的系外行星）的渲染图。在国家实验室点火系统上，通过“发现科学”计划进行的实验首次达到了与了解系外行星内部碳结构有关的极高压力。

碳是现存最普遍的元素之一。作为宇宙中第四大最丰富的元素，是所有已知生命的基础，并且它是富含碳的系外行星内部的物质，该元素已受到科学家的广泛研究。

数十年的研究表明，碳的晶体结构对材料性能具有重大影响。除了石墨和金刚石（在环境压力下最常见的碳结构）之外，科学家们还预测到有几种新的碳结构可能会在1,000吉帕斯卡（GPa）以上的温度下发现。这些压力大约是地球核心压力的2.5倍，与对系外行星内部进行建模有关，但历史上在实验室中是无法实现的。

也就是说，直到现在。在发现科学计划的支持下，学术科学家可以使用劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的旗舰国家点火设施（NIF），由LLNL和牛津大学领导的国际研究人员团队成功地测量了压力达到2,000 GPa的碳（是地核压力的五倍），几乎是直接探测晶体结构的最大压力的两倍。结果报告于2021年1月27日在《自然》杂志上发表。

LLNL物理学家，这项研究的主要作者艾米·杰尼（Amy Jenei）说：“令人惊讶的是，我们发现，在这些条件下，碳不会转变为任何预测的相，而是保留了直至最高压力的金刚石结构。”“同样的超强原子间键（需要高能才能断裂），它们负责在环境压力下无限期持久存在的亚稳碳金刚石结构，也有可能在我们的实验中阻碍其在1000 GPa以上的转变。”

合作的学术部分由牛津大学的贾斯汀·沃克教授领导，他赞扬了实验室的开放访问政策。“ NIF探索科学计划对学术界非常有益-它不仅使老牌教师有机会提出在其他地方不可能做的实验提案，而且重要的是还给研究生们提供了科学的高级科学家。未来，有机会在一个完全独特的设施上工作，”他说。

该小组（其中还包括罗切斯特大学激光能量学实验室和约克大学的科学家）利用LLNL国家点火设施的独特高功率和能量以及精确的激光脉冲整形功能，通过使用斜面激光将固体碳压缩到2,000 GPa。形状的激光脉冲，同时使用X射线衍射平台测量晶体结构，以捕获原子晶格的纳秒持续时间快照。这些实验几乎是在任何材料上记录X射线衍射的记录高压的两倍。

研究人员发现，即使在如此严酷的条件下，固体碳仍能保持其金刚石结构远远超出其预测的稳定性范围，从而证实了以下预测：金刚石中的分子键强度会在巨大压力下持续存在，从而导致阻碍转换的巨大能量壁垒其他碳结构。

杰尼说：“大自然是否找到了克服高能垒以形成系外行星内部预测相的方法仍是一个悬而未决的问题。”“使用替代压缩途径进行的进一步测量，或者从具有较少能量来重新排列原子结构的碳的同素异形体开始，将提供进一步的见解。”

参考：A. Lazicki，D。McGonegle，JR Rygg，DG Braun，DC Swift，MG Gorman，RF Smith，PG Heighway，A。Higginbotham，MJ Suggit，DE Fratanduono和F Coppari，CE Wehrenberg，RG Kraus，D.Erskine，JV Bernier，JM McNaney，RE Rudd，GW Collins，JH Eggert和JS Wark，2021年1月27日，自然。
10.1038 / s41586-020-03140-4

合著者包括LLNL的David Braun，Damian Swift，Martin Gorman，Ray Smith，Dayne Fratanduono，Federica Coppari，Christopher Wehrenberg，Rick Kraus，David Erskine，Joel Bernier，James McNaney，Robert Rudd和Jon Eggert。牛津大学的David McGonegle，Patrick Heighway，Matthew Suggit和Justin Wark；罗切斯特大学激光能量学实验室的Ryan Rygg和Gilbert Collins；约克大学的安德鲁·希金博特姆（Andrew Higginbotham）。