[科普中国]-高压相变

高压相变（phase transition under high pressure）是指物质由高压力环境所感生的相变。高压相变是一种普遍的现象，除一些高熔点过渡金属外，大多数元素中均已观察到高压相变。有些物质如铋和水等，具有丰富的高压相变，在10吉帕压力以下即存在8—10个高压相。物质的高压结构在常压下大多并不存在。高压相变的研究为高压合成提供重要的理论与实验依据。高压相变还表现出丰富的物理行为，已成为凝聚态物理研究的一个重要的前沿领域。12

简介高压相变（phase transition under high pressure）是指物质由高压力环境所感生的相变。这种相变起源于高压作用下原子间距缩短时由点阵和电子的相互作用所引起的系统不稳定性，从而引起物质内的能量状态发生变化。当达到一定的高压或高压高温条件时，物质中的原子排列、晶体结构或电子结构就会发生变化，并表现出该物质物理性质的突变，如绝缘体转变为金属，电阻和体积发生显著改变等，这种现象称为高压相变。高压相变是一种普遍的现象，除一些高熔点过渡金属外，大多数元素中均已观察到高压相变。有些物质如铋和水等，具有丰富的高压相变，在10吉帕压力以下即存在8—10个高压相。物质的高压结构在常压下大多并不存在。高压相变的研究为高压合成提供重要的理论与实验依据。高压相变还表现出丰富的物理行为，已成为凝聚态物理研究的一个重要的前沿领域。

晶体结构相变主要起源于高压下点阵的不稳定性而推动的相变。晶体结构相变往往导致磁电等物理特性的奇异改变，以金刚石压砧为代表的现代超高压物理学取得了巨大研究进展。如铁室温常压下是配位数为8的体心立方结构，为铁磁有序的金属。而在高压下铁的结构变为配位数为12的更致密的六方密积，为顺磁态，且低温呈现超导转变。一个普遍但并不严格的规律是，元素周期表中较轻元素或化合物的高压相可期望等同于同一列中的较重元素或化合物的结构。如低压下碳的配位数是3（石墨结构），5吉帕压力下碳变为金刚石结构。Si、Ge或灰锡的配位数是4，属金刚石结构；白锡的配位数为6。Si和Ge要变成白锡结构需要10吉帕的压力，而白锡在高压下则转变成配位数为8的体心立方结构。结构相变的另一个倾向是，晶体中原子或离子的尺寸越大，转变为高配位的高压相所需的压力越低。最典型的是碱金属的卤化物相变，如钠的卤化物一般在30吉帕附近发生B1/B2（NaCl型→CsCl型）相变，钾的卤化物则在1.9吉帕附近，铷的卤化物约为0.5吉帕。1

电子结构相变由高压导致系统中电子状态的不稳定性而感生新的电子组态的现象。原子间距缩小时，能带的形成和加宽导致相互交叠或去交叠的连续相变过程。如带隙不断减小，宽度达到零时即转变为金属态，发生绝缘体–金属或半导体–金属相变1。也就是说，绝缘体内原子间距随压力增大而减小的现象，最后必然导致原有禁带消失，满带与导带交叠，从而表现出具有金属导电特性，这时就说是该绝缘体发生了向金属态的相转变，即绝缘体转变为导体——金属。例如，在约20万大气压的条件下，绝缘体聚四氟乙烯会发生金属态的相转变2。电子相变可是连续地发生，也可呈现突变性质。铈在0.7吉帕时发生γ→α转变，伴随着体积缩减，首次在固–固相变中观察到汽–液相图中出现的临界点现象。过渡金属氧化物MnO、CoO、NiO中最先发现的莫脱相变也属于电子相变，这是一种由绝缘体向着金属导电相的一级相变。但当原子间距缩小到某一临界值以下时，由于电子关联效应的减弱，电子的退局域化导致出现向着金属态的突变。对过渡金属而言，压力造成的电子构型的变化往往伴随磁结构的变化，如压力可导致Fe2O3的磁性坍缩等。电子相变的表现形式丰富复杂，必须使用多种物理测量手段来进行研究。压力还可使元素的外壳层电子在不同轨道的填充产生变化，如一些碱金属在加压时会呈现s态向d态的转移，导致元素在高压下的物理化学特性有相应的变化。1

高压高温下相变固体熔化温度随压力有显著变化，大量的实验结果已将这一现象总结为西蒙方程（见高压熔化方程）。高压下发生的这种固相到液相的转变也是一种高压相变现象。
更多的高压相变属于固体相变，即受压物质从一种固相转变为另一种固相。一般来说，相变前后的体积变化ΔV