固体所在氮分子高压相结构解析与光学性质研究方面取得新进展 

作者：晏金伟

近日，中国科学院合肥物质院固体物理研究所计算物理与量子材料研究部极端环境量子物质中心刘晓迪研究员、Eugene Gregoryanz研究员与英国爱丁堡大学、英国剑桥大学、中国科学技术大学等单位合作，在氮分子高压相γ-N₂的结构解析与光学性质研究方面取得重要进展。相关研究成果以"Revisiting the structural and optical properties of γ-N₂"为题发表在Matter and Radiation at Extremes 11, 047802 (2026)上。

氮（N₂）是自然界中最丰富的双原子分子之一，其分子间由极强的氮氮三键键合，具有独特的电子构型以及超高键能，是极端条件下分子行为和物性研究的理想模型体系。高压环境可驱动氮气发成相变，形成多种高能量密度聚合相，在国防、航天等前沿领域具有重要的应用潜力。

高压氮气的相图十分复杂、相变机制多样，其高压相结构、相变规律与合成路径的解析，是极端凝聚态物理领域的重要研究课题。γ-N₂相作为分子氮的关键相，占据了分子氮高压低温相图中大部分的压力-温度空间，在氮相图的构建中起着关键作用，但长期以来对其认知存在局限： 传统观点认为其仅稳定存在于极低温度和压力的狭小区间，其精确晶体结构、光学特性及与其他高压相的关联也尚未得到明确解析，成为制约氮高压相图完整构建与极端条件分子行为认知的关键问题。

针对氮高压相图的科学难题，该团队已开展长期系统性研究并积累了扎实的技术和理论基础。2022年，针对氮相图的压缩速率依赖特性，团队研发了介于动高压和静高压之间的动态金刚石对顶砧技术（dDAC），系统对比了步进电机驱动、气体膜驱动和压电驱动三种动态金刚石对顶砧装置的压缩速率和性能，成功实现从室温到10 K宽温区、最高7 TPa/s的精确可控动态压缩，为研究压缩速率依赖的相变动力学提供了关键技术支撑（Rev. Sci. Instrum. 93, 063901, 2022）。依托此关键技术，2024年团队发现，通过调控压缩速率和压力-温度路径可实现氮气相形成行为的"切换"，证实γ-N₂可经快速压缩在高达100 K的温度下合成，并占据了高压低温相图中大部分的压力-温度空间，并提出γ-N₂可能是分子氮中最主要的稳定相（Sci. Rep. 14, 16394, 2024）。

基于上述技术突破与前期发现，研究团队利用同步辐射X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱技术，结合密度泛函理论计算，在宽压力-温度范围内对γ-N₂的结构与光学性质开展了系统研究。研究通过同步辐射红外光谱，首次观测到了γ-N₂高压低温下的远红外光谱，为其结构解析提供了关键证据。结合远红外光谱和X射线衍射的联合表征，明确证实了γ-N₂为单斜晶系（P2₁/c空间群）结构，每个晶胞包含两个N₂分子。研究同时发现，γ-N₂与θ-N₂在结构上高度相关，两者具有极为相似的拉曼光谱特征。此外，拉曼光谱观测到γ-N₂和θ-N₂中存在振动模式强度共振效应，该现象源于¹⁵N¹⁴N同位素分子与¹⁴N₂分子振动激发之间的强耦合作用。上述研究结果为理解氮气在极端条件下的分子相变行为提供了重要实验依据。

合肥物质院为论文第一单位，刘晓迪研究员和Eugene Gregoryanz研究员为论文共同通讯作者，晏金伟博士（现爱丁堡大学博士后）为论文第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院青年创新促进会、合肥物质院院长基金等项目的支持。

文章链接：https://pubs.aip.org/aip/mre/article/11/4/047802/3391145/Revisiting-the-structural-and-optical-properties

图1.  γ-N₂的结构示意图：图（a）为（R.L. Mills 与 A.F. Schuch）之前在0.4  GPa 发现的体心立方γ-N₂  (P42/mnm)，本研究发现在高压下该结构转变为对称性较低的P21/c， 如图（b）所示。