Exotic centrosymmetric phase of acentric urea under high pressure
这项研究表明，非中心对称尿素在 10 GPa 以上会发生压力诱导相变，转变为一种奇异的中心对称相（V'），其特征是二次谐波生成的消失，并在 5.2 至 10.0 GPa 之间存在一个量子无序中间态（Phase X），这一点已通过结合实验光谱学、衍射技术和理论晶体结构预测得到了证实。
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物质很少是静态的；即使是最熟悉的固体，在受到足够的压力挤压时，也会重新排列其内部结构。这一被称为高压物理学的研究领域，探索了材料在模拟行星深层内部的巨大压力下如何发生转变。这项研究的核心在于氢键的行为——这种微弱但至关重要的连接方式将分子维系在一起。在常态条件下，这些键创造出特定的、有序的模式。然而，当压力变得极端时，这些模式可能会断裂、移动甚至对称化，从而导致全新的物质形态。尿素便是这样一种材料，它是一种简单的有机化合物，广泛存在于从化肥到化妆品的各种产品中。尽管它在货架上看起来平淡无奇，但科学家们长期以来一直怀疑，挤压尿素可能会揭示出类似于深层地球冰层的奇异行为，在那里，氢原子可能会迁移到其化学键的正中心，从而创造出一种完美的对称结构。理解这些转变有助于研究人员绘制出支配物质在压力下行为的基本规则，为理解化学键的本质以及开发新材料提供线索。
在最近的一项研究中，研究人员试图解决一个关于尿素在压缩下如何表现的长期谜团。多年来，相互矛盾的报告曾暗示尿素在高压下会转化为一种特定的对称晶体结构，但由于直接观察氢原子的难度，证据一直模糊不清。为了消除这种不确定性，团队结合了几种强大的技术。他们将微小的尿素晶体置于两块金刚石尖端之间，这种装置被称为金刚石压腔，它可以产生远高于最深海沟的压力。通过让激光和X射线穿过金刚石，他们可以实时观察材料的变化。至关重要的是，他们使用了一种称为二次谐波产生的技术，这就像是一个敏感的对称性测试。该技术只有在材料缺乏对称中心时才会产生信号；如果信号消失，则证明结构已变得完全对称。
结果描绘了一幅清晰但复杂的尿素压力演变图景。随着压力的增加，尿素晶体经历了几个不同的阶段。第一个变化发生在约0.5吉帕（GPa）时，材料重新排列成一种新的非对称形式。随着压力继续攀升，研究人员观察到在5.2至10吉帕之间出现了一个奇怪的中间态。在这个范围内，材料的表现仿佛处于一种量子无序状态。通常将分子固定在刚性网格中的氢键开始软化并发生波动。研究人员怀疑这是由于质子——即氢原子内带正电的微小粒子——正在穿越能量势垒，并在不同位置之间进行不规则的跳跃。这种“量子熔融”创造了一个混乱、无序的相位，难以进行简单的分类，这也解释了为什么之前的研究在这一压力区间难以就材料结构达成一致。
最显著的发现发生在压力超过10吉帕之后。此时，对称性测试的信号完全消失，证实了尿素已转化为一种中心对称结构。这意味着分子重新排列成了一个完美的平衡晶格，其中每一部分在对侧都有镜像对应。这种新相被团队鉴定为一种独特的同质多晶，在这些极端压力下是稳定的。这种转变并非即时的；当压力释放时，材料表现出很强的抗逆性，表明这种新结构在能量上是有利的，但难以逆转。团队还使用了先进的计算机模拟来预测这些结构，他们的模型与实验数据相吻合，证实了这种对称相确实是尿素在如此巨大的挤压条件下最稳定的形式。
这项发现之所以特别引人注目，是因为它挑战了先前的假设。早期的研究曾暗示尿素可能会在较低的压力下经过另一种对称相，但新数据表明，直到达到10吉帕的阈值之前，材料一直保持着无序和非对称状态。在氢键处于波动状态的中间区域，似乎是一个秩序与无序规则交织的独特物质状态。研究人员发现，氢原子并非只是静止不动，而是参与了一场电荷转移与移动的动态舞蹈，只有当压力变得压倒一切时，它们才会稳定成固定的对称模式。这种行为模仿了深层地球冰层的现象，表明尿素可以作为一个更简单、更易于获取的模型，来研究这些极端的行星条件。
通过将直接观察与理论预测相结合，团队构建了一份修订后的尿素压力行为图谱。他们展示了通往对称性的路径并非直线，而是涉及一个由量子效应主导的动荡且无序的中间地带。这项工作不仅仅是记录了一种新的晶体形式，它还为研究氢键在极限压力下的表现提供了一个窗口。它表明，在适当的条件下，化学键的本质本身可以发生改变，允许原子以常压下不可能实现的方式共享空间。对于研究深层地球或设计新材料的科学家来说，这些发现为理解物质在周围世界被挤压至极限时如何组织自身提供了更清晰的理解。
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