学过中学和大学物理的朋友都知道,表征物质的热力学状态主要有几个参数--体积(或单位质量的体积,即密度)、温度和压强(或压力)。因此,研究各类物质(特别是固态凝聚态材料)在高压下的结构与性质,对於深化人们对於物质世界的了解(例如获得广泛范围下P-V-T物态方程)非常重要。高压物理这个学科也因此数十年来一直得到人们的重视,甚至在纳米热、生物物理热的今天,NATURE、SCIENCE、PRL上面涉及高压研究的文章还是不见减少。
高压现象在自然界是普遍存在的,例如我们的地球以及其它的行星内,都存在在相当的高压。地幔深处的压强大约在150个GPa以内,而地核则更高。再如爆炸能够产生冲击波高压。但是,我们在实验室研究高压,不可能去钻到地心,也不可能老搞爆炸,因此必须有一些产生高压的实验手段。根据高压产生的手段不同,高压研究大致可以分成静高压和冲击高压。顾名思义,前者是通过一种称为diamond anvil cell(中文翻译金刚石对顶砧)的装置,用两头的金刚石机械地缓慢把压强加到样品上面;而后者则是利用类似发炮的方式,从一头把“炮弹”加速,冲向固定在另一端的样品,通过瞬时的撞击产生高压。受金刚石自身力学强度的限制,diamond anvil cell的静高压装置大概可以得到约400GPa左右的高压。传统的冲击高压,则最多只能达到几十GPa。近年来,美国从事武器相关研究的国家实验室分别利用磁加速(Sandia)和激光加速(Livermore)的原理,发展了冲击高压,压强范围已经扩展到了几百乃至上千GPa的范围。除了产生方式的差别以外,静高压装置产生的压强是近似各向同性的,而冲击高压,则是一维方向为主的,由此自然也就带来了材料在两类高压下不同的行为。
获得了高压以后,就需要去测量作为样品的材料在高压下的各类性质。首先需要的当然是结构的信息,这方面主要依靠X射线,特别是同步辐射光源。其次是各种光谱学特性,如Raman、光吸收/发射谱等。在国际静高压研究中,有一位值得华人骄傲的华人科学家--毛河光先生,堪称整个静高压研究的领军人物,他和他的合作者们,在Science, Nature上灌水的数量,连大多数生物学家都自叹不如。
比较静高压研究在基础研究的重大意义,冲击高压和国家安全的关系似乎更大一些,例如研究炸药在冲击高压下的结构与性质变化,模拟核爆炸过程产生的冲击波对物质的影响等等。美国的几大国家实验室和中国绵阳的工程物理研究院(九院)都有不少人在积极从事这方面的研究。
高压物理也是理论和计算物理学家们所青睐的对象。从材料模拟的角度,要模拟有限温度的系统,需要相当长的模拟时间才能使系统达到热平衡。而高压相对就直接了当的多,只需要以一定的技巧,在模拟超元胞上面施加压强张量就可以。90年代以后,高压模拟和第一性原理计算进一步结合,理论家们预言了很多固体材料特别是半导体材料的新高压相。从直觉来说,不管固体材料原先的结构如何,只要外压足够大,最后都会形成尽可能致密堆积的结构。事实上,多数的模拟也证实了这点。然而,致密结构不会是一下子就出现的,随压强的逐渐增大,往往还会有很多的中间相。在这个过程中,还会伴随物理性质的变化,例如半导体、绝缘体被压成金属等。最近几年,吉林大学马炎铭教授在这方面做出了很多相当出色的工作。
提到高压,不能不提一提金属氢。大家都知道氢作为最轻的元素,是宇宙中是普遍存在的,同时也是重要的能源(包括太空旅行的燃料) ,但是氢的存储是个很难的问题。从70年代起,理论家们就预言,当压强足够高(大概是几百GPa)的情况下,氢可能以原子状态形成金属性的固体,而且这种固体甚至有可能以一种亚稳态存在。也就是说,可以把氢气压成能量块。这样的前景无疑是诱人,也激发了前后两三代高压物理学家的热忱,特别是理论家们,对於氢高压固体相结构的预言层出不穷,差不多该领域每个成名的理论家都有自己的相。实验上,虽然金属氢尚没有实现(实现了肯定拿炸药奖),但是静高压和冲击高压两方面实验得到的压强已经越来越高,人们的认识也在深入。但是到底哪天人类才能够实现金属氢的梦想,现在还不好说。
高压物理和材料科学当然也是密切相关的,特别是超硬材料的探索,一直是热门话题。