金是高压实验中极其重要的材料，在静态金刚石砧芯实验中被认为是计算压力的“金标准”。当在室温下缓慢压缩时(大约几秒到几分钟)，当压力达到地球中心三倍时，金更倾向于以表面为中心的立方(fcc)结构。然而，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和华盛顿卡内基研究所的研究人员发现，当金在纳秒(十亿分之一秒)内被迅速压缩时，压力和温度的增加会将晶体结构改变为金的一个新阶段。这种著名的体心立方(bcc)结构变形为比fcc结构更开放的晶体结构。
其研究结果发表在《物理评论快报》上，该研究的主要作者、LLNL的博士后理查德·布里格斯说：在黄金中发现了一种存在于极端状态下的新结构（地球中心压力的三分之二）。事实上，新结构在高压下的填料效率比初始结构要低，考虑到大量理论预测表明应该存在更紧密的填料结构，这就很令人惊讶。实验在阿贡国家实验室先进光子源的动态压缩区(DCS)进行。DCS是第一个致力于动态压缩的同步x射线科学设备。这些实验是首次在DCS专用高能激光站hutch-C上进行，金是理想的研究对象。
（图示）在阿贡国家实验室的动态压缩区收集的三张图像中，突出了x射线探测器记录的衍射信号。第1为初始面心立方结构；第2为新的体心立方结构，压强为220 GPa；第3是330 GPa下的液态金。
因为它的高z值(提供一个强大的x射线散射信号)和相对未探索的相图在高温下。研究小组发现，金的结构在220GPa压力下开始改变(220万倍于地球大气压力)，当压力超过250GPa时开始融化。观察到液态金的平均点达到330GPa，这是地球中心的压强，比之前测量高压下的液态金压强高300多GPa。由于催化裂化转变为密相连铸结构在钢铁生产中的重要性，这可能是研究最多的相变之一。高温或应力会导致两种催化裂化/密相连铸结构之间的结构变化。然而，目前还不清楚是什么相变机制在起作用。
研究结果表明，由于压力和温度的影响，金在熔化前经历了相同的相变，未来的实验集中在这种相变机理上，可以帮助阐明这种重要的相变在制造强钢方面的关键细节。许多用来理解高压/高温行为的金理论模型并不能预测以物质中心的结构形成——在10多部已发表的著作中，只有两篇是这样的。研究结果可以帮助理论学家改进极端压缩下的元素模型，并期待利用这些新模型来研究化学键的影响，以帮助开发可以在极端状态下形成的新材料。
博科园｜研究/来自：劳伦斯利弗莫尔国家实验室
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.045701
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