作者：王俊杰 | 中国科学院年夜学 造就单元：中国科学院物理研讨所 审核：陈旭 | 中国科学院物理研讨所副主任工程师
说到压力，你起首想到什么呢。
水流在水管中流动的时刻会受到的水压
当然，最常见的照样烧饭效力更高的高压锅了。
那么，压力怎么使高压锅在浩繁餐具中如斯出众呢。
在初中物理中，我们就进修了抱负气体状况方程，明确了在体积不变的环境下，系统的压强与温度呈正相关。以是，坚持固定体积的时刻，压强越年夜，温度越高。
在水的相图中，我们察看液相和蔼相的临界线，它跟着压力的上升在敏捷增长。
高压锅经由过程把水关闭起来，把水蒸气保存在高压锅内，这就使高压锅内部的气压高于1个尺度年夜气压，水的沸点也跟着升高并跨越100℃，节俭了食品煮熟的光阴。
图1 水的三相图
平安使用时高压锅的压力年夜约1.2-1.8个尺度年夜气压，与罐装碳酸饮料的压力相称，便施展出这么紧张的后果。
显然，这点压力对付科研试验来说，是远远不够的。只管如斯，照样有了明白成长偏向，也便是平安可控的把压力的加上去。
例如，部门试验顶用到的水热反响釜便是增强版的高压锅，它经由过程金属外壳的掩护，可以使反响物在160℃以内的温度平安反响。
图2 水热反响釜
理论上来说，只要我们进行更好的防护，就能获得更高的压力。那么问题来了，总的有个目的吧，多高的压力才算够用呢。
科学家们参考我们生涯的地球，订定了一个目的，即可以实现对地球内部的高温高压情况的模拟，一方面用来摸索地球内部物资的形成与蜕变纪律等，匆匆进地质范畴的成长；另一方面，压力作为另一个根本的物理前提，可以有用的减小物资中的原子间隔、增长相邻电子轨道的重叠水平，可以转变物资的晶体布局和原子间的互相作用，对研讨全新的物资状况十分有用。地球焦点处的压力约为150 GPa，约即是150万个尺度的年夜气压。
在二十世纪初期，固体物理学开端初步成长，布里奇曼(Percy Williams Bridgman)熟悉到高压调控对付物理学的紧张性，开端动手成长高压技术以及研讨物资在高压下的物性变化。
图3 布里奇曼(Percy Williams Bridgman，1882-1961)
布里奇曼用了几十年的光阴，改良承压装配的材质，进步装配的承压才能。终于在1950年，他设计并制作第一个对顶砧压机，此中A和B为碳化钨硬质合金压砧，C和D是为压砧提供支持的的钢箍。
图4 布里奇曼压砧示意图
使用这种压砧，布里奇曼实现了最高20 GPa的压力，到达了地球焦点压力的1/7[2][3]。
布里奇曼应用高压研讨了很多物资在高压下的物理性子，如导电性、导热性以及紧缩性等，在研讨中他还发现了熔点到达200℃以上的‘热冰’等很多未知的物性，为而科学家们打开了高压物理学的年夜门。1946年，布里奇曼因在高压物理方面的凸起进献得到了昔时的诺贝尔物理学奖，也是高压物理学的开辟者。
对顶砧构想异常巧妙，理论上来说当压砧的硬度足够高，是可以到达地球焦点处的压力的。
众所周知，天然界中硬度最高的物资是钻石，它的硬度是立方氮化硼的2倍，碳化硅的4倍。此外，钻石还具有极高的体积弹性模量，具有极高的抗压才能，是作为压砧的抱负资料。金刚石的硬度具有各向异性，晶面的硬度年夜小为(100)<(110)<(111)，当沿着(111)晶面临金刚石尖端进行打磨时最高的硬度。
图5 金刚石的晶体布局图6 金刚石什物图片
荣幸的是，科学家们在人工合成钻石技术上取得了突破，经由过程高温高压法可以快速生长有缺陷较少的金刚石，随后沿着晶面临其进行打磨。
图7 六面顶压机图7 金刚石原石图9 金刚石压砧示意图以及什物图
在金刚石对顶砧内部，尖端打磨平整的钻石被固定在碳化钨底座上，钻石尖端以及垫片配合组成了高压腔。压腔内部使用传压介质包含气体，液体和固体，气体有氩气、氙气、氢气和氦气等，可以提供静水压的情况；而液体传压介质有矿物油，硅油，甲醇和乙醇的混合物等，可以提供靠近静水压的气氛；固体传压介质有氯化钠，溴化钾等[3]。
当我们扭转对顶砧的加压螺丝，进行挤压钻石的时刻，高压腔内部的压力便敏捷上升。
图10 金刚石对顶砧内部示意图
我们知道增长压强的办法有两种，一种是在受力面积不变的环境下增长压力，另一种是在压力不变的环境下尽可能减小受力面积。以是，金刚石对顶砧中的台面越小，理论上可以实现的压力越高，它的履历公式为[4][5]：Pmax(GPa)=12.5/d²，d是金刚石顶砧的直径。
当金刚石压砧的台面年夜小到达几十个微米时，就可以实现地球焦点邻近的压力。因为理论计算预言了在高压的作用下，氢分子会改变为金属氢，发生极高的原子热振动能。在电子-声子耦合的作用下，可能呈现高温乃至近室温的超导体[6]，这赐与了全天下的科学家们极年夜信念。
目的终于实现了。
科学家们应用金刚石对顶砧进行了年夜量试验。冲动民气的是，2014年，科学家在硫化氢(H3S)的高压电学测试中，观测到了Tc~190 K的超导电性，在后续高压下的磁化率中发现了硫化氢在高压下呈现Tc~203 K超导抗磁旌旗灯号，验证了硫化氢的高温超导电性，而且刷新了超导临界温度的记载[7][8]。2018年，科学家们报道了LaH10在170-190 GPa的压力下呈现了Tc~260 K的超导电性[9]。氢化物的高压实验使得超导临界温度靠近于室温，为高温超导资料的摸索以及高温超导机理的研讨提供了研讨平台，使得人类历久寻求的室温超导体有了端倪。
图11 典型超导系统及其超导临界温度随光阴的变化相图
在高压测试中，压力的丈量是十分紧张的，然而金刚石对顶砧的内部空间较小，一样平常采取间接的办法测试内部压力。常用于压力标定的物资有Cr掺杂的红宝石(Al2O3+5%Cr)，金刚石，石英以及已知晶格参数的物资等。常用的压力测试办法为荧光光谱以及拉曼光谱等。红宝石荧光峰的位移量与压力之间的履历公式为[10]
图12 红宝石在分歧压力下的荧光峰[10]
在更高压力区域，常用金刚石的拉曼光谱标定压力。当施加压力时，金刚石压砧的一阶拉曼光谱会产生移动。是以，可以得出金刚石拉曼峰与施加压力的履历公式[11]，表达式为
图13 金刚石在410 GPa压力下的拉曼光谱[11]
写在末了，自1905年布里奇曼成长高压物理学以来，高压技术取得了伟大的提高，直接推动了高压超导的成长，高压测试已经成为科研摸索中非磁紧张的试验手腕。这阐明了试验技术的提高和科学的成长是互相匆匆进，配合成长的，根基性的试验是技术变更的症结。
参考文献 Bridgman P. W., Compressions and polymorphic transitions of seventeen elements to 100,000 kg/cm2. Phys. Rev. 60, 351 (1941). Bridgman P. W., Bakerian Lecture - Physics above 20,000 kg/cm2. Proc. R. Soc. Lond. A2031-17 (1950). 郑海飞. 金刚石压腔高温高压试验技术及其利用.科学出书社. 2014年. Dunstan D. J., Spain I. L., Technology of diamond anvil high-pressure cells: I. Principles, design and construction. J. Phys. E: Sci. Instrum. 22, 913 (1989). Dunstan D. J., Experimental Techniques in the Diamond Anvil Cell. 358 (1999). Sun Y., Zhong X., Liu H. Y., Ma Y. M., Clathrate metal superhydrides under high-pressure conditions: enroute to room-temperature superconductivity. National Science Review 270, 2023. Drozdov A. P., Eremets I.A., Troyan, Conventional superconductivity at 190 K at high pressures, 2014. arXiv:1412.0460. Drozdov A. P., Eremets M. I., Troyan I. A., Ksenofontov V., Shylin S. I., Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature 2015, 525:73–76. Maddury S., Muhtar A., Ajay K. M., Zachary M. G., Maria B., Yue M., Viktor V. S., Russell J. H., Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures. Phys. Rev. Lett. 2019, 122, 027001. H. K. Mao, J. Xu, P. M. Bell, Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi-hydrostatic conditions, J. Geophys. Res. 1986, 91: 4673-4676. Y. Akahama, H. Kawamura, Pressure calibration of diamond anvil Raman gauge to 310 GPa, J. Appl. Phys. 100, 043516 (2006).
编纂：穆梓
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