建立一套精确、稳定的绝对压标是高温高压实验研究的根基。动高压研究获得的绝对压标已经沿用了半个世纪，虽然以动高压实验为基础的压标在几十个GPa的压力段十分精确，但为获得更高的动高压无法避免会产生更多热量，导致等温压缩至几百个GPa的压力标定仍不精确，因此压力误差随着压力增大显著提升。相对于高压研究的其他学科，压标对于地球内部矿物学的研究影响较大，比如核幔边界的温度可通过测量铁合金的熔点获得，如果压力测量出现较大误差，压标数据攸关地核的薄厚与深部动力学。

密度与体弹模量是建立一套绝对压标的两个基础物理量。其中密度在高压下可以通过X射线衍射获得。体弹模量可以理解是物质被施加一定压力时的体积改变，许多方法可用于测量高压下的体弹模量。比如使用超声法，利用声波在固体内传播时会压缩固体的性质，测量通过固体的声波速度获得体弹模量。除了实验方法，建立绝对压标还须寻找合适的标准样品，它应满足如下两个条件：首先，标准样品在高压下仍能保持稳定，从常压到几百个GPa的压力不易发生相变。其次，它的体弹模量应较容易获得。看似简单，这两个条件难以同时满足。

图1 理论计算获得的金刚石压力与拉曼频率的关系。对应于地核大于300 GPa压力下，动高压获得的压标显著高估了压力。

中国矿物岩石地球化学学会会员、北京高压科学研究中心胡清扬研究员、毛河光院士领导的研究小组结合了第一性原理计算和高压超声装置，建立了一套基于金刚石的据对压标。1954年诺贝尔物理学奖获得者马克思波尔提出了一种理论，建立起金刚石的共价键弹性模型，基于此，他通过拉曼频率推算金刚石的体弹模量，而钻石可能是极少数在极端高压下仍保持稳定的矿物之一。理论研究表明在几百个GPa的高压下波尔的共价理论依然适用（图1），在极端条件下可以通过测量拉曼光谱获得体弹模量这一关键物理量，这比测量高压超声波波速要容易得多。工作的主要成果是将拉曼频率的量化为压力的函数，是金刚石绝对压标的理论基础。该成果发表于由中物院主办的《极端条件下的辐射与物质》上。

图2 无孔金刚石样品。黑色点为表面颗粒，而非孔洞。

随后胡清扬等与纽约州立大学石溪分校的李宝生教授合作，结合超声波干涉和大压机加压手段，完成了金刚石高压下的声速研究。这是一项非常具有挑战性的实验，因为金刚石非常坚硬且难以压缩，使得声波在金刚石中传播非常快，因此对实验精度要求极高，并且需要大块样品，导致实验的压力上限难以突破。在此之前金刚石的声速最高仅测至1.4千巴。研究小组改进实验装置，并合成了新的无孔金刚石作为样品，确保其表面没有气孔或空隙（图2）。

图3金刚石在高压下的声速。带误差的数据点来自于超声波实验，红色线为理论计算结果。

这些改进将金刚石声速的研究从千巴数量级推进到十万大气压以上（图3）。实验结果与马克思波尔的理论完全吻合。证明了金刚石可以作为一种精确的绝对压标，在更高的的压力下可以通过推导马克思波尔的模型公式，同时测量密度和拉曼光谱获得一套完整的压标，可能成为地球内部矿物学的基石。实验发表于最新一期的《美国科学院院刊》上。

论文信息：

Hu Qingyang*, Ho-kwang Mao. Born’s valence force-field model for diamond at terapascals: Validity and implications for the primary pressure scale. Matter Radiation at Extremes, 6, 068403, (2021): https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0069479

Hu Qingyang, Baosheng Li*, Xiang Gao, Lei Su, Yan Bi and Ho-kwang Mao*. Ultrasound elasticity of diamond at gigapascal pressures. Proceedings of the National Science Academy U.S.A. (2021). DOI: doi.org/10.1073/pnas.2118490118.

（胡清扬 供稿）