俗話說，人往高處走，水往低處流。自古以來，人們就對高處的地方有著無窮的向往。對于物理學家來說，除了可以攀爬地理上山峰以外，也要不斷

俗話說，

人往高處走，水往低處流。

自古以來，

人們就對高處的地方有著無窮的向往。

對于物理學家來說，

除了可以攀爬地理上山峰以外，

也要不斷攀登科學的高峰，

這意味著需要不斷創(chuàng)造更極限的實驗環(huán)境。

Part I 又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒

眾所周知，生活在平原或者低海拔地區(qū)的人在進入高原后，由于氣壓降低，氧氣含量降低，同時可能受紫外線、氣溫低等因素影響容易出現(xiàn)高原反應。

但是你知道嗎？除了人以外，我們平時所用的生活用品也會出現(xiàn)高反喲~

比如牙膏、洗面奶等物品會自己噴涌而出，薯片等膨化食品的袋子會膨脹地很大并爆開。

圖片來源：微博

這些現(xiàn)象都是由于外界氣壓降低導致物體內(nèi)部的氣體與外界形成氣壓差而引起的。

所以，首先一個問題當然是為什么海拔越高，氣壓越低？

我們先考慮一定高度處的一小層薄薄的大氣，它的厚度為dz。中學物理告訴我們，看到一個物體先對它干什么？

當然是先進行受力分析了！

這層大氣受到自身的重力，上下表面氣體的壓力，我們可以假設下表面的壓力為p，由于大氣壓隨高度肯定是變化的，所以可以將上表面的氣壓設為p+dp。

根據(jù)受力平衡，可以有公式（其中A是氣體柱的底面積，ρ(z)為大氣密度）[1]：

簡化一下變成：

在這里我們可以先暫時假設大氣的溫度不隨高度變化，雖然這個假設很粗糙，但是在海拔11-12km的位置可以認為是近似成立的[2]。

帶入理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT，即：pM=ρ(z)RT，其中M為大氣分子的摩爾質(zhì)量。

并做積分即可得到大氣壓力p隨海拔高度z的變化：

這個模型又被稱為等溫大氣模型。

當然我們?nèi)粘５母惺苁菤鉁赝S著海拔高度升高而降低。

由于氣壓和溫度變化關(guān)系非常復雜，所以我們可以采用多方狀態(tài)過程來描述：

其中γ是大氣的比熱比，p和T0是地表的大氣壓強和溫度。

代入上面的公式再積分可以得到更加精確地的大氣壓強p隨海拔高度z的變化：

通過計算數(shù)值可以知道，當γ取1.235時得到的大氣壓隨海拔高度的變化比較精確。

大氣壓強隨海拔高度的變化曲線 (圖源：Atmospheric pressure - Wikipedia)

Part II 欲窮千里目，更上一層樓

從上面的討論我們可以知道，在高原地區(qū)，很多物體的“高反現(xiàn)象”來自于低氣壓。

換句話說，薯片和牙膏的膨脹都是來自于其本身內(nèi)部相比外界有了一個相對“高”的壓力。除此之外，大家也都知道在高原地區(qū)由于氣壓低導致水的沸點低，導致做飯做不熟，而高壓鍋就能解決這個問題。

除了我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母邏哄佉酝猓瑢嶋H上，在實驗室中，我們也可以通過一些手段制造一些高壓環(huán)境，使各種材料處于高壓之下，從而可以發(fā)現(xiàn)很多有趣的現(xiàn)象。

最簡單的實現(xiàn)高壓的方法就是對氣體或者液體進行壓縮，比如對于氣體來說，根據(jù)前面所提的氣體的狀態(tài)方程：pV=nRT。

由此可以知道，等溫壓縮過程壓縮氣體的體積即可實現(xiàn)增大壓力。

所以，最早的高壓科學裝置就是由英國物理學家Parsons在19世紀末期設計加工的活塞-圓筒裝置。

活塞-圓筒裝置及密封方法示意圖[3]

由于加壓腔體體積很大，加上材料的限制，這個裝置并不能加到很高的壓力。現(xiàn)在往往用于產(chǎn)生5GPa以下的壓力環(huán)境（約5萬的大氣壓）。

現(xiàn)代活塞-圓筒裝置實物圖 圖源：百度圖片

隨后在20世紀中期，美國物理學家Bridgman引入一個“壓砧”（讀作鴨胗）裝置實現(xiàn)更高壓力的實現(xiàn)，這個裝置被稱為Bridgman壓機。

壓砧示意圖，彈性材料截掉邊角后內(nèi)部承壓不發(fā)生變化[3]。

現(xiàn)代高壓技術(shù)的基本構(gòu)造還是以Bridgman壓機為基礎的。其原理就是用壓砧支撐一個大質(zhì)量材料，應力傳到均勻的壓砧表面實現(xiàn)均勻的壓強分布。壓砧材料一般為硬質(zhì)合金。

Bridgman壓機[3]

由于活塞-圓筒裝置的腔體大，導致極限壓力低。壓砧裝置中樣品薄，容易形變嚴重。

為了改善二者的缺點，Drickamar 和Balchan將壓砧和圓筒進行組合，設計出Drickamar裝置。由于對壓砧的側(cè)面也進行了支撐，所以可以極大的提高其極限壓力。

Drickamar裝置[3]

為了在腔體中施加一個均勻的壓力大小，人們又發(fā)展了多面體壓砧，將高壓腔體設計成為正多面體的形狀，從而實現(xiàn)腔體內(nèi)較為均勻的靜壓環(huán)境。

比如以正六面體腔體裝置中的壓砧配置[3]

眾所周知，金剛石是已知的最硬的物質(zhì)，那么用金剛石作為壓砧材料必然可以實現(xiàn)極高的極限壓力。這就是金剛石對頂砧。

利用金剛石對頂砧進行高壓實驗的原理非常簡單：將樣品放置在兩個金剛石面的中間，然后擠壓中間的密封材料而產(chǎn)生高壓。密封材料的小孔內(nèi)充滿液態(tài)或固態(tài)的傳壓介質(zhì)，使處于密封材料中的樣品受到靜水壓或者準靜水壓。

金剛石壓腔原理圖[3]

更細節(jié)地講，一個金剛石壓腔通常包含由下圖中所示的腔主體(包括底座，活塞，帶有增加壓力和控制分離的螺絲的帽)、砧座、金剛石砧座和墊圈組成，其中金剛石結(jié)構(gòu)和墊圈是最重要的部分。

值得注意的是，由于金剛石質(zhì)地非常脆，在加壓時需要施加給金剛石巨大的力（約1萬N），所以要避免兩個金剛石直接接觸，這要求極其精確的機械控制，控制精確須達到微米級[4]。

砧座往往由耐用的材料做成（比如碳化鎢）以承受需要施加的巨大的力。墊圈是一塊帶孔的金屬片，用于承載樣品，它的作用在于更好地將樣品控制在一個小的區(qū)域以保證施加在上的壓力梯度是均勻的，同時可以保護金剛石不被直接接觸導致斷裂。

迄今為止，利用金剛石對頂砧已達到550GPa的高壓（550萬倍大氣壓）。

由于金剛石是透明材料，可以透過可見光、近紅外光、x射線等電磁輻射，所以可以廣泛地應用于高壓科學之中。

金剛石對頂砧實物圖[6]

在完成了高壓的實現(xiàn)后，下面一步要考慮地則是如何對高壓進行標定，也就是說，通過什么辦法才能知道施加的壓力數(shù)值是多少呢？

最可靠的測量超高壓強的方法就是利用已知材料的狀態(tài)方程。

一些簡單結(jié)構(gòu)的化合物在高壓下的狀態(tài)方程已經(jīng)利用沖擊波實驗得到。但是這種方法最大的缺點是需要利用X射線測量，不容易實現(xiàn)[4]。

輕氣泡產(chǎn)生平面沖擊波示意圖[3]

在金剛石壓砧中，最常用的方法便是Forman等人第一次提出利用光譜的方法進行壓力標定[5]。最常用的壓力標定材料是紅寶石。

紅寶石的主要成分是摻雜Cr離子的氧化鋁，其內(nèi)部的Cr離子存在一系列的能級，電子在吸收一定能量的光后，會先躍遷到一個能量較高的能級，進而自發(fā)躍遷到另一個較低能量的能級，從而輻射出熒光。

紅寶石的電子能級結(jié)構(gòu)[3]

輻射的熒光波長會隨著壓力的變化而變化。所以可以通過測定紅寶石輻射熒光的波長而確定當前其所處的壓力狀態(tài)。

激光紅寶石測壓系統(tǒng)[3]

同時，紅寶石可以被加工成微米大小并能產(chǎn)生良好的信號，所以，這一技術(shù)的實現(xiàn)極大地促進了高壓實驗技術(shù)的發(fā)展。

Part III 會當凌絕頂，一覽眾山小

當物質(zhì)處于高壓的環(huán)境時，它們也會表現(xiàn)出一些與在常壓下不同的性質(zhì)。我們可以稱呼它們發(fā)生了高壓反應（或簡稱高反）。

我們最常見的高壓的作用應該就是高壓鍋了，高壓鍋可以讓食物更容易熟透，比如將肉燉的更加軟爛。這是因為在高壓下，水的沸點升高了。水開時的溫度更高，利用更高的溫度烹飪食物當然事半功倍。

高壓對物質(zhì)的作用最直接的就是壓縮了物體的體積，也就是使得物質(zhì)內(nèi)部原子之間的間距變小了。從而使氣體變成液體，液體變成固體，固體的密度增大。

比如在更高的壓力下，水不僅會變成冰，而且隨著壓力的不斷升高，人們發(fā)現(xiàn)冰的性質(zhì)也在發(fā)生變化。在0.2GPa下，水會形成在常壓下不穩(wěn)定的冰結(jié)構(gòu)，這其實是一種新的冰結(jié)構(gòu)。在更高的壓力下，水還具有十幾種不同的結(jié)構(gòu)[3]。

水的相圖[3]

除此之外，原子間距的變化可能會引起原子排列的變化。

比如說某個原子可以和之前距離比較遠的原子發(fā)生相互作用，從而增大配位數(shù)。或者原子間的相互作用發(fā)生改變，從而影響化學鍵的強度。也就是說壓力引起了晶體的結(jié)構(gòu)相變。比如在高溫高壓下石墨可以變成金剛石[6]。

更進一步地，由于原子間距的縮小，從而使得不同原子之間的能級更容易交疊，表現(xiàn)在晶體中就是壓力導致了晶體能帶發(fā)生改變。

對于半導體或者絕緣體來說，高壓可以誘導導帶和價帶發(fā)生交疊，從而使半導體或絕緣體變成導體。

比如I在16GPa壓力下發(fā)生從絕緣態(tài)到金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變[6]。NaYbSe在50GPa壓力下從絕緣體變成金屬[7]。

如何實現(xiàn)高溫超導被喻為凝聚態(tài)物理學皇冠上的明珠，高壓科學為摘得這一明珠提供了手段。

在常規(guī)超導體的BCS理論中，超導體的轉(zhuǎn)變溫度與組成超導體的原子質(zhì)量大致有一個平方根反比的關(guān)系：

這意味著原子質(zhì)量越小的元素組成的晶體越容易有更高的超導轉(zhuǎn)變溫度。

所以氫原子作為最輕的原子，如果可以制備出固態(tài)的氫，那么其或許就有很高的超導轉(zhuǎn)變溫度。

遺憾的是，即使在目前數(shù)百GPa（百萬倍大氣壓力）的極高壓力下，仍沒有發(fā)現(xiàn)可以固化氫的可能性。但是退而求其次，科學家們制備出了富氫化合物：SH（203K）和LaH（250K），發(fā)現(xiàn)其具有很高的超導轉(zhuǎn)變溫度[4]。

除了常規(guī)超導體以外，在高壓下，高溫銅氧化物超導體的超導轉(zhuǎn)變溫度也可以提升。在1.4GPa下，鑭鋇銅氧體系的超導轉(zhuǎn)變溫度從35K提升到了52K。這啟發(fā)了人們選用了原子半徑更小的釔元素來代替鑭元素，從而將超導轉(zhuǎn)變溫度提升到了93K。汞鋇銅氧體系在高壓下甚至能達到164K轉(zhuǎn)變溫度[3]。

高壓高溫超導體發(fā)展歷程[4]

總之，超高壓技術(shù)作為一種極端實驗環(huán)境，是物理學家不斷攀登科學高峰的體現(xiàn)。

超高壓技術(shù)的實現(xiàn)也為研究新材料、發(fā)現(xiàn)新物理開拓了一個廣泛的天地。

參考文獻：

[1] 秦允豪，熱學. 高等教育出版社，2011年 第三版

[2] 呂巋，王霞，用改進的基因算法求大氣壓強公式. 大學物理，2004年底23卷第3期

[3] 劉志國，千正男，高壓技術(shù). 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2012年

[4] J. A. Flores-Livas, M. Eremets etc. A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials, Phys. Rep. 856, 1 (2020)

[5] Forman RA, Piermarini GJ, Dean Barnett J, Block S. Pressure measurement made by the utilization of ruby sharp-line luminescence. Science. 1972;176(4032):284-5.

[6] 郭思洋, 高壓下二氧化碳和二氧化硅的相變與彈性性質(zhì)研究. 吉林大學博士論文，2021年

[7] Ya-Ting Jia etc. Mott Transition and Superconductivity in Quantum Spin Liquid Candidate NaYbSe2. Chin.Phys.Lett, 37, 097404 (2020)

編輯：Garrett