摘要
碳是宇宙中第四常见的元素，是所有已知生命的基本元素。以单质形式存在于多种同素异形体中，包括石墨、金刚石和富勒烯。长期以来，人们一直预测，在比地核更大的压力下，甚至可以存在更多的结构1，2，3.．已经预测在多万亿帕斯卡体系中存在几个相，这对于精确模拟富含碳的系外行星内部是很重要的4，5．通过将固体碳压缩到2兆兆帕(2000万个大气压;使用斜坡形状的激光脉冲，同时测量纳秒持续时间的时间分辨x射线衍射，我们发现固体碳保留了钻石结构，远远超出了其预测的稳定性。该结果证实了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的预测，导致巨大的能量障碍阻碍了向更稳定的高压同素异形体的转换1，2，就像亚稳态金刚石在大气压力下形成石墨的动力学阻碍一样。这项工作几乎是x射线衍射在任何材料上记录的最高压力的两倍。
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2022年4月21日
参考文献
SC4:特帕斯卡压力下碳的一种金属相。理论物理。启B53， 5051-5054(1996)。
Sun, J.， Klug, d.d. & Martoňák, R.极端压力下碳的结构转变:超越金刚石。j .化学。理论物理．130， 194512(2009)。
马蒂内斯-卡纳尔斯，皮卡德，李志强，李志强。碳在多帕斯卡压力下的热力学稳定相。理论物理。(1．108， 045704(2012)。
Madhusudhan, N, Lee, K. K. M. & Mousis, O.超级地球55巨蟹座内部可能富含碳。12,54。J．759， l40(2012)。
Mashian, N. & Loeb, A. CEMP恒星:早期宇宙中碳行星的可能宿主。Mon。。r·阿斯特朗。Soc．460， 2482-2491(2016)。
弗朗德尔，C.和马文，U. B.朗斯代尔石，一种六边形变形钻石。自然214， 587-589(1967)。
Narayan, J. & Bhaumik, A.碳的新相，铁磁性，并转化为金刚石。j:。理论物理．118， 215303(2015)。
约翰斯顿，R. L.和霍夫曼，R.超密碳，C8:超立方或γ-硅的类似物?j。化学。Soc．111， 810-819(1989)。
马马汉。碳的含能相的大气压力稳定性。理论物理。启B44， 11578-11591(1991)。
用从头算进化技术预测晶体结构:原理和应用。j .化学。理论物理．124， 244704(2006)。
奥加诺夫，赫姆利，R. J.，哈森，R. M. &琼斯，A. P.极端条件下碳的结构、键合和矿物学。启的矿物质。Geochem．75， 47-77(2013)。
殷，M. T. & Cohen, M. L.钻石会在巨大压力下转型吗?理论物理。(1．50， 2006-2009(1983)。
比斯瓦斯，R. &马丁，R. M. Needs, R. J. &尼尔森，O. H.压力下硅和碳复杂结构的稳定性和电子固有性:密度泛函计算。理论物理。启B35， 9559-9568(1987)。
费希，S. & Louie, S. G.碳的高压结构和电子性质。理论物理。启B36， 3373-3385(1987)。
Dubrovinsky, L.， Dubrovinskaia, N.， Prakapenka, V. B. & Abakumov, A. M.用于6 Mbar以上高压研究的微球纳米金刚石砧的实现。Nat。Commun．3.， 1163(2012)。
吴宏，罗晓霞，文良，孙宏，陈琛。碳在超帕斯卡压力下的极限静态压缩。碳144， 161-170(2019)。
埃格特，J. H.等。超高压下金刚石的熔化温度。Nat。．6， 40-43(2010)。
一般材料特性的冲击和斜坡压缩的数值解。j:。理论物理．104， 073536(2008)。
史密斯，R. F.等。钻石的斜坡压缩到5兆帕。自然511， 330-333(2014)。
Knudson, m.d.， Desjarlais, m.p. & Dolan, d.h.碳高压相的冲击波探索。科学322， 1822-1825(2008)。
巴里奥斯，m.a.等人。国家点火设施的x射线区域背光源开发。启科学。Instrum．85， 11d502(2014)。
Coppari, F.等人。优化的x射线源用于欧米茄激光设备的x射线衍射测量。启科学。Instrum．90， 125113(2019)。
华克，J. S.，惠特洛克，R. R.， Hauer, A. A.， Swain, J. E. & Solone, P. J.激光冲击晶体的亚纳秒x射线衍射。理论物理。启B40， 5705-5714(1989)。
Rygg, J. R.等。固体在超帕斯卡状态下的粉末衍射。启科学。Instrum．83， 113904(2012)。
Rygg, J. R.等。国家点火装置的x射线衍射。启科学。Instrum．91， 043902(2020)。
Celliers, pm .等。欧米茄激光设备用于冲击诊断的线成像测速仪。启科学。Instrum．75， 4916-4929(2004)。
罗斯曼，s.d.等。准等熵压缩法测量铅及铅锑合金~ 400kbar的主等熵。期刊。D38， 733-740(2005)。
布拉德利，D. K.等。钻石，平均绩点800。理论物理。(1．102， 075503(2009)。
Coppari, F.等人。系外行星压力下氧化镁相变的实验证据。Nat。Geosci．6， 926-929(2013)。
奈姆斯，R. J.，麦克马宏，M. I.，赖特，N. G.，艾伦，D. R.和洛夫戴，J. S. BC8锗的稳定性和晶体结构。理论物理。启B48， 9883-9886(1993)。
Kurakevych, O. O.等。直接转化和减压化学途径合成大块BC8硅同素异形体。Inorg。化学．55， 8943-8950(2016)。
陶乐，夏尔玛，夏尔玛，沃尔兹，陶尔杰，温尼，古普塔。在纳秒内冲击压缩石墨到六方金刚石的转变。科学。阿德．3.， eaao3561(2017)。
McWilliams, R. S.等。冲击压缩0.1 ~ 1tpa对金刚石强度的影响。理论物理。启B81， 014111(2010)。
Orlikowski, D.， Correa, A. A.， Schwegler, E. & Klepeis, J. E.高压碳的Steinberg-Guinan模型:金刚石相。AIP会议程序．955， 247-250(2007)。
斯威夫特，d.c.等人。金刚石在高压斜坡载荷下的状态方程与强度。预印在https://arxiv.org/abs/2004.03071(2020)。
郎俊明，温尼，金敏杰，古普塔。冲击金刚石单晶的强度和变形:方向依赖。理论物理。启B97， 104106(2018)。
泰勒，g.i.，昆尼，H.冷加工后金属中残留的势能。Proc. R. Soc。Lond。一个143， 307-326(1934)。
萨格特，M. J.等。冲击压缩单晶铜中位错微结构的纳秒白光Laue衍射测量。Nat。Commun．3.， 1224(2012)。
海威，P. G.等。受冲击固体的非等熵释放。理论物理。(1．123， 245501(2019)。
Ping, Y.等。固体铁压缩到560gpa。理论物理。(1．111， 065501(2013)。
Murphy, W. J.， Higginbotham, A.， Wark, J. S. & Park, N. Debye-Waller效应在冲击铜中的分子动力学模拟。理论物理。启B78， 014109(2008)。
Ertel, K.等。DiPOLE:用于泵浦多hz PW系统的可扩展激光架构。Proc。学报8780， 288-292(2013)。
x射线自由电子激光器:从梦想到现实。理论物理。可控硅．T169， 014004(2016)。
麦克布莱德，E. E.等。设置mev分辨率非弹性x射线散射测量和x射线衍射的物质在极端条件下的终点站在直线加速器相干光源。启科学。Instrum．89， 10f104 (2018)
Descamps, A.等人。利用x射线自由电子激光测量单晶金刚石体温的方法。科学。代表。10， 14564(2020)。
王晓东，王晓东，王晓东。基于分子动力学从头算的碳相图。理论物理。(1．95， 185701(2005)。
Correa, A. A.， Bonev, S. A. & Galli, G.极端条件下的碳:从第一性原理理论的相边界和电子性质。国家科学院学报美国103， 1204-1208(2006)。
本尼迪克特，L. X.等。碳的多相状态方程解决高压和高温。理论物理。启B89， 224109(2014)。
齐默尔曼，G.，克肖，D.，贝利，D. &哈特，J.惯性约束核聚变的LASNEX代码。J.选择社会。我．68， 549(1978)。
勃特格，j.c.。环氧树脂的SESAME状态方程．报告LA-12755-MS(洛斯阿拉莫斯国家实验室，1994)。
野生，Ch.， Herres, N. & Koidl, P.多晶金刚石薄膜的纹理形成。j:。理论物理．68， 973-978(1990)。
韦丹，K.和施密特，E. D. D. MgO折射率随压力到7 kbar的变化。理论物理。牧师．146， 548-554(1966)。
Lazicki, A.等人。固体锡的x射线衍射至1.2 TPa。理论物理。(1．115， 075502(2015)。
确认
我们承认与B. Remington, M. Millot和D. Klug的讨论，我们感谢国家点火设施的工作人员和国家点火设施发现科学计划。这项工作是在美国能源部的支持下由劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的，合同编号为DE-AC52-07NA27344。J.S.W.感谢英国EPSRC在EP/J017256/1和EP/S025065/1赠款下的支持。D.McG。由LLNS提供支持，合同编号为B595954。G.W.C.和J.R.R.的部分资金由NSF物理前沿中心奖物理-2020249和DOE NNSA奖DE-NA0003856提供。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
J.S.W.和J.H.E.构思了这个作品。D.McG A.L。，J．R.R., R.F.S., M.G.G., P.G.H., A.H. and M.J.S. performed the experiments. D.G.B. designed the laser pulse shapes. A.L. analysed the data with assistance from J.R.R., J.H.E., D.E.F., D.E. and J.V.B. D.C.S., F.C., C.E.W., R.G.K., J.M.McN., R.E.R. and G.W.C. contributed to the design of the work and interpretation of the data. A.L. and J.S.W. wrote the paper. All coauthors commented critically on the manuscript.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Philip Dalladay-Simpson和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图2报告的x射线衍射数据摘要。
图像板是背景减去和投影成方位角ϕ与2θ和立体空间。中心的圆形开口是诊断设备上的一个孔，VISAR激光可以通过这个孔。一个， N160315(约0.8 TPa)具有来自FC8样品和B2 MgO窗口的衍射峰。模型理想的衍射模式包括结构因子、多重度、洛伦兹偏振因子(对于透射中的平面粉末样品)，以及为匹配数据而调整的仪器展宽(峰值宽度与x射线源周围发射等离子体云的空间范围成正比，在不同镜头之间略有不同)。峰宽FWHM在1°到1.5°之间，这与我们的源尺寸和典型的镜头到镜头的变化是一致的。我们不打算模拟纹理或温度的影响，这在这个数据中都很重要。由于Debye-Waller效应，高温是造成高角度下真实衍射数据与理想衍射数据强度不匹配的主要原因。矩形板上的方形特征是用于约束背景辐射光谱的罗斯对滤波器阵列。b， N150217 (1.02 TPa):与FC8结构一致的两个峰是明显的(蓝色所示的理想模式)。以VISAR孔为中心的大双矩形特征(也见于c而且d)是TARDIS盒子前部的一个区域的针孔图像，当被来自x射线源的硬x射线和快速电子照射时，该区域会产生荧光。2015年后，该诊断被重新设计，以消除这一功能。以直接光束点为中心的较小的矩形特征(也见于c而且d)是一种组合的荧光从一个圆柱形屏蔽的正面定位周围的直接光束点，以阻挡像板的荧光，和阴影的夹具持有的屏蔽到位。这种防护罩的设计随后也得到了改进。c， N150927 (1.18 TPa):在这张照片中，多晶金刚石衍射(表现为连续的圆环)与单晶金刚石窗口的强烈纹理衍射之间有明显的重叠。d， N150304 (1.38 TPa)。e， N161211(约1.8 TPa)。在这个镜头中，两个空间和时间上分离的x射线源被用来产生两个独立的，易于区分的环形图案，以提高像板校准(第一个图案来自未驱动的目标，主要接收来自未驱动的Au热屏蔽的散射)。在这张照片上，由于x射线源有一个宽的高能轫致辐射尾巴，散射了窗户，在早期x射线曝光期间，窗户仍然是未受驱动的单晶体，所以在像板上也有明显的劳埃斑点图案。与{001}取向MgO单晶5-25 keV辐射散射一致的劳埃点用黑色方块标记。
扩展数据图3报告的x射线衍射数据摘要。
一个， N170304 (1.74 TPa):与FC8结构一致的两个峰明显。b， N180214 (2.01 TPa): 2-3个峰与FC8结构一致。在这张照片上，背景是如此之高，以至于只有当单晶样纹理允许它出现在背景之上时，衍射才会被观察到，就像(111)峰的情况一样，或者峰落在像板上被针孔部分屏蔽了烧蚀等离子体背景的区域(在扩展数据图中进一步解释)。7)．该镜头使用Zr (16.25 keV) x射线源来测量峰值压缩(XRS 1)的衍射，因此与Ge (10.25 keV) x射线源的其余镜头相比，所有的峰值都出现在更低的角度。第二个x射线源(XRS 2)是Ge，在压缩波进入目标之前发射，以捕获未压缩的六角形紧密填充(hcp) Zr和FC8金刚石的衍射。这些额外的衍射线被用来改善像板的角度校准。Ge x射线源的宽带轫致辐射尾部从未压缩的单晶金刚石窗口散射产生劳埃斑，在立体投影中用黑色方块标记。这些位置与{110}取向晶体的散射一致，能量跨度为15-35 keV。
图4激光驱动强度及其与样品应力和像板背景的关系。
一个除了应力最高的N180214外，所有样品驱动器都在国家点火设施使用16个重叠的横梁与相位板，在投射到样品上时产生0.9 mm × 1.2 mm的椭圆点。试样中应力的横向均匀性随应力的增加而降低。在1.8 TPa时，二维辐射流体动力学模拟预测，在半径为400 μm的范围内均匀性仍在5%以内，但在最高应力时，必须通过最初增加驱动器的面积来延迟横向释放波。为了实现这一点，我们平铺了8根梁，形成一个大约均匀的1.8 mm × 1.8 mm方形的驱动点，并使用这些梁将样品驱动到0.8 TPa附近，之后我们使用8根重叠的梁将样品驱动到2 TPa(漫画插图)。仿真结果表明，在300 μm半径范围内，应力均匀度在5%以内，而在400 μm半径范围内，应力又降低了2-3%。通过峰值压缩，无阻挡射线通过针孔孔径的最大样品半径约为330 μm(样品向孔径移动了200 μm)，因此这种横向均匀性是足够的。对于最高功率的激光驱动器，来自激光烧蚀过程中产生的x射线在图像板上的高背景电平几乎淹没了x射线衍射数据，并且由于这个原因，随后的测量超过2 TPa的衍射的尝试都没有成功。实现2tpa及以上应力的难度说明在b．给定驱动强度产生的纵向应力以次线性方式增加，而烧蚀等离子体产生的背景应力的增加是强烈的超线性方式。图中所示的像板背景取自每个镜头中像板上相同的区域，通过不同的样品和滤光材料以及厚度的相对透射率进行归一化处理。
扩展数据图5 VISAR汇总和压力推断。
一个， VISAR速度历史显示钻石窗后表面的速度。在所有情况下，金刚石弹性波在随后的较慢压缩之前将样品冲击到初始~0.1 TPa。到2tpa时，弹性波几乎被后部金刚石捣固器内形成的强烈增长冲击所超越。b，实验金刚石窗口自由表面速度测量和金刚石样品的应力历史，从特征分析中推断，与LASNEX辐射-流体动力学代码预测N180214弹丸(2.01 TPa)相比。为了与实验断裂时间和峰值速度合理一致，在模拟中需要在弹性波到达自由面后关闭试样和窗口内的金刚石强度。利用特征法从lasnexx预测的自由表面速度推断应力，证明与预测的应力历史合理吻合。从LASNEX速度特征分析中推导出的应力系统地略低于LASNEX应力。我们认为这种明显的低估是压力不确定性的额外系统贡献。
扩展数据图6在图像板上减去x射线背景的步骤。
图中显示了从N170305拍摄的图像板的线条，用于说明。一个，原始数据，投影成ϕ(绕直梁的角度)vs . 2θ(散射角)空间。b，应用经过SNIP背景减法和强度校正后的数据(其中考虑了通过样品和像板滤光材料的可变传输以及有效针孔面积随散射x射线角度的变化)。c，像板线条:从原始数据(D)中减去SNIP背景(B)，得到(S)。然后应用强度校正，得到(I)。在较低的压力下(较低的烧蚀等离子体背景)，这通常足以使背景变平，但当激光功率非常高时，从(I)中减去一个额外的多项式背景(P)，以生成最终结果(R)。d为衍射图样(R，蓝绿色线)，与高斯峰形状和恒定背景(黑色虚线)拟合，残差(黑色实线)。在最小二乘拟合中使用高斯峰的质心来推断FC8密度。
扩展数据图7 N180214镜头数据提取。
在2 TPa时，高驱动背景导致统计噪声水平几乎压倒x射线衍射信号，因此背景中的伪特征在像板线条中清楚地显示出来。在这幅图像中突出显示了一些特征:起源于背光辐射的宽带(模拟为15-35 keV)轫致辐射尾部的Laue斑点图案，在早期x射线源脉冲期间从未压缩的{110}定向单晶金刚石窗口散射开(位置在黑盒子中显示);一系列明亮的带，是扫描文物，用红色虚线标记;由低采样分辨率引起的混叠模式用白色虚线标记(在这个投影中采样分辨率相当不均匀)。由于所有这些虚假的特征，一些肉眼可见的衍射线在整个图像板上的平均线条中并没有超过背景噪声，因此我们选择在表观衍射线周围缝合更窄的线条。在图像板上以蓝色突出显示的约- 80°为中心的区域上方的窄线显示为蓝线。钻石的单晶样(111)衍射线显示在背景之上，因为其强烈的纹理。基于这种纹理，线条显然来自单晶钻石篡改器，在x射线曝光时，它已经与超过其一半体积的样品达到了压力平衡。(200)线和(311)线的片段很大程度上太弱，无法在烧蚀等离子体的背景噪声之上记录，但它们确实出现在像板的某些区域，其中烧蚀等离子体被针孔孔径的边缘屏蔽，如图所示。来自烧蚀前沿的x射线构成了背景的大部分，它们产生的位置比Zr He距离针孔更远αx射线从样品中散射出来。因此，在像板上有一个狭窄的区域，衍射x射线的信噪比较高，如中心靠近−100°的狭窄线所示(实红色线)。蓝色和红色的线缝在一起，强烈的伪特征被掩盖，并减去一个多项式背景，以创建蓝绿色的衍射图案。用高斯函数拟合肉眼可见的峰值，用最小二乘拟合的质心来推断密度。残差显示为黑色实线。在最小二乘拟合中没有使用(311)峰位置，因为它在方位角范围上是如此微弱和有限，其存在性是有问题的。
扩展数据图8排除交替相。
观察到的衍射峰很容易排除高压BC8或SC1相(理想图案分别显示在绿色和粉红色，在一个对于镜头N170209)，但SC4相(灰色)的峰值与FC8(蓝色)的峰值相当接近。所有模型的衍射图样都在7.82 g cm处绘制−3SC4和FC8的峰值位置见b．“问1’衍射峰角与SC4相的期望相差几个标准差(在峰位置的比值图中显示得更清楚问1/问2)．
扩展数据图9 MgO数据汇总。
VISAR数据从镜头N160315 (一个)及N160519 (b)，使用MgO视窗。碳- MgO界面可以被跟踪，直到压缩波到达自由表面，尽管由于MgO窗口中的b1到b2相变，条纹失去了大量的可见性。MgO的斜坡状态方程和折射率随压力的函数尚未得到很好的约束，因此实验应力是不确定的。这里所示的界面速度是根据Vedam和Schmidt的结果使用2.015的近似Gladstone-Dale修正的MgO指数修正的52．c， N160315试样应力和密度历史的辐射流体动力学模拟。x射线源持续时间用白虚线括起来。这些模拟表明，在实验时(即x射线源的持续时间)，MgO窗口的1/3到1/2处于与金刚石窗口平衡的均匀应力状态，剩余体积正在经历强大的应力梯度，其中没有单个体积会以足够的强度衍射。因此，我们报告的峰值位置d与钻石样品的应力相同。粉色的轮廓d显示B2 MgO的理想峰值角作为压力的函数，取自Coppari等人报告的状态方程。29(数据点显示为红色三角形)，并推断为2 TPa。虚线仅为B2(110)峰绘制，显示了由利佛莫尔列表状态方程模型LEOS 219预测的主绝热的压缩性。我们还展示了先前衍射实验中从金刚石窗口得到的峰值位置53黑色符号。
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拉兹基，A.，麦格纳格尔，D.，赖格，J.R.et al。金刚石斜坡压缩到2兆帕的亚稳态。自然589， 532-535(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-03140-4
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碳化硅1.5 TPa的结构和密度及其对太阳系外行星的意义
自然通讯(2022)
超帕斯卡压力下单质镁中开放结构的实验观察
自然物理(2022)
氧化铁相变对岩石系外行星内部的影响
自然地球科学(2021)
