实验在创纪录的压力下探测碳的晶体结构,这个压力是地核压力的五倍

55 Cancri e

艺术家绘制的碳含量丰富的系外行星Cancri e 55。这是第一次在实验室环境下,通过发现科学项目在国家点火设施进行的实验达到了与了解系外行星内部碳结构相关的极端压力。信贷:ESA /哈勃/ M。Kornmesser

碳是存在的最普遍的元素之一。它是宇宙中含量第四高的元素,是所有已知生命的基石,也是一种存在于碳含量丰富的系外行星内部的物质。科学家们对这种元素进行了密集的研究。

几十年的研究表明,碳的晶体结构对材料的性能有重大影响。除了石墨和钻石这两种环境压力下最常见的碳结构外,科学家们还预测,在1000亿帕斯卡(GPa)以上也能发现几种新的碳结构。这些压力大约是地核压力的2.5倍,与建模有关太阳系外行星但从历史上看,在实验室里是不可能实现的。

直到现在。根据“发现科学计划”,学术科学家可以进入劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的旗舰国家点火装置(NIF),这是一个由LLNL和美国航天局(nasa)领导的国际研究团队牛津大学已经成功地测量了在压力达到2000 GPa(是地核压力的五倍)的情况下的碳,几乎是曾经直接探测过的晶体结构的最大压力的两倍。研究结果于2021年1月27日公布自然

“我们发现,令人惊讶的是,在这种条件下,碳并没有转变成任何预期的阶段,但在最高压力下仍保留着钻石的结构,”LLNL物理学家、该研究的主要作者艾米·杰妮(Amy Jenei)说。“同样的超强原子间键(需要高能量才能断裂),是导致碳的亚稳定钻石结构在环境压力下无限持续存在的原因,在我们的实验中,也可能阻碍其在1000 GPa以上的转变。”

这项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获取政策。“NIF发现科学项目是非常有利于学术团体——它不仅允许建立教师有机会提出建议做实验是不可能在其他地方,但重要的是也给研究生,未来的高级科学家,有机会工作在一个完全独特的设施,”他说。

该团队还包括来自罗切斯特大学激光能量学实验室的科学家约克大学-利用LLNL的国家点火设备独特的高功率和能量以及精确的激光脉冲整形,使用斜坡形状的激光脉冲将固体碳压缩到2000 GPa,同时使用x射线衍射平台测量晶体结构,以捕捉纳米秒持续时间的原子晶格快照。这些实验的高压几乎是x射线衍射记录在任何材料上的两倍。

研究人员发现,即使受到这些激烈的条件下,固体碳保留其钻石结构远远超出预测的政权稳定,证实了预测分子键的强度在钻石仍面临巨大的压力,导致大型能源壁垒阻碍转换到其他碳结构。

Jenei说:“自然界是否已经找到了一种方法来克服高能障碍,从而在系外行星内部形成预测的相位,这仍然是一个悬而未决的问题。”“使用另一种压缩途径或从原子结构的碳的同素异形体开始,重新排列所需的能量更少,进一步的测量将提供更深入的见解。”

参考:“钻石ramp-compressed 2 terapascals的亚稳定性”,a . Lazicki d . McGonegle j . r . Rygg d·g·布劳恩特区迅速、m·g·戈尔曼r·f·史密斯p·g·海明威(a . Higginbotham m . j . Suggit d e . Fratanduono f . Coppari c . e . Wehrenberg r·g·克劳斯·d·厄斯金,j .伯尼尔诉j . m . McNaney r·e·拉德·g·w·柯林斯,j·h·艾格特和j·s·沃克,2021年1月27日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 03140 - 4

合著者包括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 of LLNL;牛津大学的David McGonegle, Patrick heights, 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;以及约克大学的安德鲁·希金波坦。

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