中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所肖萬生研究組、中國科學(xué)院高能物理研究所和中國工程物理研究院流體物理研究所的合作研究人員，利用北京同步輻射裝置（BSRF）的高壓衍射技術(shù)，在對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物PbCrO3的高壓行為研究中，發(fā)現(xiàn)了一個奇特的壓致等結(jié)構(gòu)相變現(xiàn)象，這一立方到立方的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致近10％的體積變化。這是立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物等結(jié)構(gòu)相變現(xiàn)象的首例發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果最近發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊上（PNAS，2010，107，14026-14029）。這一發(fā)現(xiàn)開啟了一類全新的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高壓行為研究的大門，將對固體物理、化學(xué)、材料科學(xué)和地球科學(xué)產(chǎn)生重要的影響。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是一種在物理學(xué)、材料科學(xué)和地球科學(xué)中均具有重要科學(xué)意義的結(jié)構(gòu)類型，這一致密結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境（如溫度、壓力）變化時，通過共角頂配位八面體的畸變、旋轉(zhuǎn)和相互傾斜來調(diào)整結(jié)構(gòu)，甚至改變對稱性從而導(dǎo)致相變發(fā)生。通常情況下這種相變并不表現(xiàn)出鍵長顯著的不連續(xù)變化，不會導(dǎo)致體積的顯著改變。而本工作中PbCrO3立方鈣鈦礦壓致等結(jié)構(gòu)相變導(dǎo)致異常大的體積變化及其蘊含的奇特物理機制，對傳統(tǒng)的鈣鈦礦相變理論研究提出了新的挑戰(zhàn)。
表征PbCrO3等結(jié)構(gòu)相變現(xiàn)象關(guān)鍵的高壓原位X射線衍射數(shù)據(jù)在BSRF高壓實驗站獲得，本研究成果得益于實驗站先進的高壓原位角色散X射線衍射技術(shù)和與金剛石對頂砧高壓裝置相關(guān)實驗設(shè)施的強力支撐。壓力作為一個基本物理條件，可以有效縮短物質(zhì)中原子的間距、增加相鄰電子軌道的重疊，從而改變物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子(分子)間的相互作用，形成全新的物質(zhì)狀態(tài)。金剛石對頂砧超高壓技術(shù)與同步輻射X射線衍射技術(shù)相結(jié)合，是目前研究高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的重要手段之一。中國科學(xué)院知識創(chuàng)新重要方向項目的資助為實驗站高壓衍射技術(shù)的發(fā)展和本研究的開展提供了重要保障。
廣州地球化學(xué)所高壓研究組與高能所BSRF高壓站有長期的合作關(guān)系，并與貴陽地球化學(xué)所一起共同承擔(dān)完成了兩項院知識創(chuàng)新重要方向項目，利用同步輻射高壓實驗技術(shù)開展了一系列地球深部物質(zhì)以及鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物的研究。
等結(jié)構(gòu)相變過程的高壓原位X射線衍射圖像
PbCrO3立方鈣鈦礦高、低壓相的壓力－體積關(guān)系，顯示相變導(dǎo)致9.8％的體積變化
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