极高压环境下的新世界
随着技术的进步，高压物理学的前沿已经超过了1 TPa（=1012Pa，1000万个大气压）。如此高的压力会从根本上改变原子键合、晶体结构和物质的传输，也出现了一些奇特的物理现象：高压下绝缘的氢气变成了金属、钠变成了透明的绝缘体、室温下实现了超导……这些激动人心的发现极大的拓展了人们的认知。
准确测定高压是个难题
要想准确测定如此高的压力是非常困难的，因为压力梯度太高很难找到合适的传感器。所以，研究人员是通过参考材料的状态方程作为“压力计”来进行估算：当压力小于0.45 TPa时，可以利用材料的EOS来直接计算；当压力再高时，只能通过EOS外推来得到，误差至少为10%。
因此，在TPa条件下准确测定压力已经成为研究者面临的头号难题，毕竟连压力都测不准，不同的实验数据都不好意思进行比较。
冲击压缩的压力测量不靠谱
利用材料EOS估算压力的方法历史悠久，但都是通过对红宝石、金刚石、铂（Pt）进行冲击压缩（shock compress）来实现的高压。
图1. 五种不同动态压缩路径下Pt的相图。
但冲击压缩是一个不可逆的绝热压缩过程，在提高材料压力的同时难免造成温度的增加，这个温度被称作冲击温度TH，冲击压缩的状态轨迹是压力-密度-温度空间中的一条Hugoniot曲线（如图1中的虚线所示）。
由于冲击压缩过程中热效应的存在，通过压缩达到一定密度ρ所需的压力比等温压缩要大一些，多出来的这些压力称为热压Pth，差值约为25%。压缩导致材料的温升与材料特性和初始状态有关，致密而坚硬的材料比低密度的可压缩材料温升要低得多，例如在200 GPa时，Pt的单次冲击压缩温升小于4000 K，而水的温升则高达15000 K。
在数百GPa下，冲击压缩的温升给压力准确测量带来的误差还可以接受，但是在TPa下则会严重影响测量精度。
将单次冲击分为多次冲击
从图1可以看到，单次冲击压缩的温升效应很显著，但随着冲击压缩次数的增加，更多的能量被用于压缩，分配给温升效应的能量逐渐降低，也就越接近等温压缩，如果为无限次冲击压缩，600 GPa下热压仅6 GPa，显著提高了压力测量精度，为TPa条件下压力的准确测量带来了一丝曙光。
两位超级英雄联手建立TPa高压
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的D. E. Fratanduono团队利用桑迪亚国家实验室中的Z机器（世界上最强大的电脉冲发生器）和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室中的点火装置（NIF，世界上最高能的激光源），实现了5 TPa压力的无冲击压缩，这个压力比核爆炸、土星核心、行星撞击压力还高。
图2. NIF实验设计示意图。
研究者利用NIF，在30纳秒内将172束351 nm的激光束照射到一个11×6 mm的金圆柱体中，激光能量为500 kJ，通过精确调整激光功率，就能在圆柱体上产生一个平滑增加的无冲击压缩波，如图2所示。利用圆柱体赤道上安装的20 μm厚的铜箔将压缩波的压力传导到Au、Pt中，实现了极高压。
图3. Z机器的图片。
他们还利用Z机器在700纳秒的时间内产生了2000万安培的电流脉冲，电流沿铜箔传输产生了磁场，通过磁场驱动产生压缩波在Au、Pt中制造高压。
NIF和Z机器各有所长：Z机器适用于大的样品，产生的高压持续时间更长，压力可以达到400 GPa；NIF适用于小尺寸样品，但能量大，可以产生5 TPa的压力。由于5 TPa下压力的测量精度与400 GPa下的测量结果相关，将两者结合起来就能实现TPa下压力的准确测定。
如何获得准确压力
图3. 材料压缩过程中位置-时间关系曲线。
有了能产生高压的机器，接下来的问题就是如何准确测量压力。测量多种材料自由表面的运动速度是得到压力-密度数据的关键。
在实验中，Au、Pt样品被加工成了多个台阶结构，Z机器上的样品厚度在0.60~1.6 mm，NIF机器上的则为60~90 μm，研究者利用速度干涉仪（VISAR）记录自由表面的速度变化Up(t)，测量精度约30米/秒，时间精度约30皮秒（Z机器约为200皮秒）。在已知相对初始位置的情况下，就能得到图3中压缩直线斜率的欧拉速度CE，利用CE和黎曼不变量，就可以确定材料的压力-密度状态，即EOS，从而实现准确测量压力的目的。
虽然在NIF和Z机器上，两种样品的应变速率有10倍差异，但是由于Au、Pt密度大、没有低温相变，其压力响应非常一致，在800 GPa时的热压：Au为15.7 GPa（总压的1.9%），Pt为28.4 GPa（总压的3.5%），考虑到测量的压力差不多是地球中心压力的3倍，所以这个误差可以忽略不计。
图4. Au、Pt状态方程。
研究者将冲击压缩、金刚石砧座(DAC)压缩和本文的测试数据进行对比，发现无冲击实验结果的精度要高于冲击压缩的结果。无冲击实验数据的测量结果小于实验误差，而冲击实验的热力学修正幅度（即热压）则高达200 GPa。
在DAC压缩实验中，通过EOS外推估算的压力为1.065 TPa，而实际压力为0.937 TPa，比外推法估计值低了12%。
可以测量行星内部极高压力
图5. Au、Pt高压下的等温密度对比。
研究者发现在三个时间尺度下：DAC~105秒、Z机器~10-7秒、NIF~10-8秒，直到压力达到800 GPa，压力测试结果依然非常准确，而EOS外推结果的误差范围要大得多（图5中的灰色区域），因此认为这一方法可以用于测量行星内部极高压力的缓慢变化。
小结
对极高压力的研究会促进行星科学、高压物理学的发展，研究者利用NIF和Z机器在实验室内产生了高达5 TPa的极高压，得到了Au、Pt在高压下的压力-密度数据，根据欧拉速度CE和黎曼不变量，实现了极高压力的准确测量，测量精度小于实验误差，而且不依赖于特定模型，为极高压科学的发展奠定了基础。
原文链接：
https://phys.org/news/2021-06-gold-platinum-standards.html
https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1063
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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