Vibrational spectroscopy identifies the bond asymmetry of hexagonal diamond
通过将第一性原理晶格动力学与拉曼光谱及衍射数据相结合，本研究通过证明其层间键长大于层内键长，从而解决了体相六方金刚石的结构争议，进而确定了一种特定的正向键不对称性，这与此前相互矛盾的精修结果相抵触。
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想象一个这样的世界：人类已知最坚硬的物质——钻石，有两种“口味”：一种是我们珠宝中常见的、圆润且富有弹性的那种；另一种则是科学家们追寻了几十年的更稀有的六方版本。你可以将这两种“口味”想象成碳原子堆叠层的方式，就像是用正方形网格或蜂窝状网格来搭建一座塔。长期以来，这种六方钻石一直像是一个幽灵——大多以微小、杂乱的碎屑形式存在于陨石中，或是在实验室的高压环境下被制造出来，这使得研究它变得非常困难。科学家们想要精确了解原子的排列方式，因为这种材料的强度和行为完全取决于原子之间极其微小的距离。具体来说，他们曾为一个微观的“拔河比赛”争论不休：连接层与层之间的键，究竟是比单层内原子之间的键稍短一些，还是稍长一些？搞清楚这个问题至关重要，因为如果我们能掌握这种材料，它可能会带来超强韧性的工具或新型电子器件，但首先，我们必须对这种材料的真实形态达成共识。
最近，两个不同的研究小组制造出了大型、纯净的六方钻石样本，并利用 X 射线拍摄了原子的图像。但转折点在于：当他们测量原子间的距离时，得到了完全相反的答案。一组说垂直方向的键较短，而另一组却说较长。这就像两个人看着同一栋建筑，一个人说屋顶比墙矮，而另一个人却坚持认为屋顶更高。这种分歧如此之大，以至于让科学界对这种材料的真实本质感到困惑。
这时，一项新的研究出现，它像是一名使用不同线索的侦探。该团队不再仅仅观察原子的静态图像，而是倾听材料的“歌声”。他们使用了一种称为振动光谱的技术，这就像通过敲击玻璃来听它的回响。每个分子都有根据其原子连接方式而发出的独特“音符”。通过模拟不同原子排列下这些音符听起来应该是什么样的，研究人员可以测试哪种相互冲突的图像才是真实的。
调查结果显示，之前的两个“图像”很可能是模糊或具有误导性的。这项新研究利用强大的计算机模拟发现，六方钻石天生倾向于稍微拉伸其垂直键，使其比水平键长出约 24 千分之一埃（这是一个小到难以想象的单位）。这种拉伸之所以发生，是因为一种特定的层叠方式，类似于一个人站立时双脚位于肩膀正下方（“重叠”位置）时，会比双脚交错站立时感受到更多的张力。模拟表明，这种特定的拉伸产生了一种独特的“歌声”或振动频率。
当研究人员将他们的模拟“歌声”与从真实样本中记录到的实际“歌声”进行对比时，结果显而易见。之前提出的两种相互冲突的结构都无法匹配这种“音乐”。其中一个结构的预测音调过高，而另一个则预测音调过低且节奏不对。唯一能与现实世界的“歌声”相匹配的结构，正是那种垂直键略微较长的结构，这证实了 2003 年较不精确的测量结果以及新的计算机模型。
该研究还处理了一个其中一个团队听到的神秘高音——1,529 cm⁻¹。研究人员得出结论，这并不是来自完美六方钻石的“音符”。相反，他们怀疑这是一个“幽灵音符”，来自于实验过程中被拉伸或挤压的极少量残留石墨或无序碳，就像一根音准略微跑调的吉他弦一样。
简而言之，这篇论文通过聆听材料的振动，解决了一个存在数十年的谜团。它表明六方钻石具有一种特定的、略微拉伸的结构，使其显得独一无二。它排除了键较短或材料完全对称的可能性。虽然作者对其模拟结果以及与实验数据的匹配程度非常有信心，但也承认关于“幽灵音符”的确切原因仍需进一步研究。他们建议未来的实验应该使用不同类型的光来观察材料，以证实这些发现，但目前，证据指向的是一个略微拉伸而非被挤压的六方钻石。
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