Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
本研究报告了首次通过晶体学手段，将长期被预测的 BC8 碳相鉴定为在太帕斯卡尔压力下由熔融碳形成的单晶，从而解决了数十年来关于金刚石之外碳结构的确定性问题。
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在像天王星和海王星这样行星的核心深处，或许在遥远而奇异的世界之心，碳以一种超越我们日常经验的状态存在着。那里的压力极其巨大，以太帕斯卡（terapascals）为单位——这是一个如此巨大的单位，以至于难以想象，它代表的力量是海平面大气压力的数百万倍。在如此沉重的压力之下，我们所熟知的碳的常见形式，比如铅笔中柔软的石墨或戒指中坚硬的钻石，预计会发生变化。几十年来，科学家们一直利用强大的计算机预测，在这些极端深度下，碳应该重新排列成一种更致密的新结构，称为 BC8。这种理论上的形态被认为比钻石更加紧密堆积，然而尽管经历了四十年的寻找，从未有人直接观察到它。问题依然存在：这种隐藏的物质相态是否真的存在，还是仅仅是一个数学上的幻影？
一组研究人员现在通过提供 BC8 碳的首个直接晶体学证据回答了这个问题。为了找到它，他们并没有等待自然界提供条件，而是利用高功率激光在实验室中重现了这些条件。通过向单颗钻石晶体发射一束短暂而强烈的强光，他们产生了一个穿过材料的冲击波，将钻石压缩至 1.1 到 1.2 太帕斯卡之间的压力。这个过程非常迅速，在十亿分之一秒内便完成了，但其速度足以让钻石熔化成液态，然后随着冲击波减弱，让碳原子冷却并重新形成固体。研究人员通过向样本发射同步的 X 射线脉冲捕捉到了这一稍纵即逝的瞬间，这就像是一个高速相机的闪光灯，将原子结构冻结在原地。
所得出的图像并非人们在如此混乱的事件中预料到的模糊、涂抹状图案。相反，X 射线产生了清晰、独特的斑点，就像光线照射在切割过的宝石上时看到的清晰反射一样。这些斑点是晶体的特征，通过测量它们之间的角度和距离，科学家们可以绘制出碳原子的精确排列图。他们发现的模式与预测的 BC8 几何结构完美契合。这是一项重大突破，因为之前的实验只能根据宽泛、模糊的信号来猜测结构，或者根本未能观察到任何新相态。在这项研究中，研究人员能够证明碳确实已经转化成了单一且连贯的 BC8 晶体，而不是保持为钻石或变成无序的液体。
该实验还揭示了关于这种转变如何发生的关键信息。事实证明，仅仅用压力挤压碳并不足以迫使它进入 BC8 形状；材料还必须以特定的方式进行加热和冷却。钻石必须先熔化，从而让原子获得移动并寻找其新的、更紧密位置的自由，然后再锁定回原位。这一发现解释了为什么早期的 BC8 尝试失败了；那些实验通常在整个过程中都保持碳的固体状态，使其被困在钻石形式中。通过引导碳经历液态过程，研究人员开启了一条自然界可能在行星深处内部使用的路径。
这种新观测到的 BC8 碳的密度经测量约为每立方厘米 7.19 克，这一数值符合对这种高压相的理论预测。研究人员指出，由于极热和瞬时实验中的不均匀压力，晶体结构显示出轻微的畸变，但该材料的核心身份是毋庸置疑的。这一发现不仅仅证实了一个长期存在的理论；它为理解富碳行星的组成提供了具体的基准，并增进了我们对材料在最极端条件下行为方式的认知。它也开启了大门，暗示如果科学家能够学会捕捉并保持这种材料，他们或许有一天能够研究其独特的属性，例如它是否比钻石更硬，或者它的导电性如何。目前，寻找碳 BC8 相长达数十年的探索已从计算机模拟领域迈入了实验室的现实之中。
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