本实验室在冷稠密氮的研究中取得进展

近日，本实验室雷力老师团队在冷稠密氮的相变和振动特性研究中取得重要突破，揭示了低温与超高压下固态氮的复杂相行为和振动特性。相关成果以“Unusual vibron behavior and Clapeyron slope reversal in cold dense nitrogen” 为题发表在应用物理学旗舰期刊Applied Physics Letters, 127, 112202, 2025, 论文的第一作者为四川大学2021级博士生吴彬彬（2025苟清泉奖学金获得者），四川大学原子与分子物理研究所是论文的唯一作者单位。

氮作为自然界中最丰富的元素之一，在高压下展现丰富的相行为，一直以来是高压物理和高压化学的研究热点。然而，在氮的压力-温度（P-T）相图中，尤其是P-T空间在较高压力（> 60 GPa）和低温（<300 K）的区域，仍是研究的“盲区”。由于缺乏必要的实验数据，因而高压氮的相边界模糊，克拉珀龙斜率（反映相变热力学性质）未知。通常，实验上采用两种不同的热力学路径（等温压缩和等压变温）来确定的相边界。等温压缩路径适用于研究压力敏感的相变，而等压变温路径在确定斜率较大的相界时误差较大。

图1. 等温压缩原位光谱测量装置

雷力老师研究团队采用一种具有自主知识产权（已授权发明专利：ZL202310471352.4和实用新型专利：ZL 202320995223.0）的低温高压原位光谱测量系统（图1），通过9条等温或等压实验路径的40次独立拉曼光谱实验，系统地研究了固态氮的低温高压未探索区域（T<300 K和60 GPa<P<180 GPa）的相行为和振动特性。当氮被压缩至130 GPa以上且温度低于150 K时，首次观察到一种此前未被报道的氮新相——μ-N₂。该相表现出明显的拉曼振子涨落特征（图2），初步分析认为其源于激子-振子耦合或电子-振子耦合等复杂量子行为，提示其可能具有独特的电光性质。

图2. 在低温压缩条件下，固态氮拉曼振子的涨落现象

研究团队依托自主设计的等温压缩拉曼光谱系统，成功确定了此前缺失的三条关键相边界：ζ-κ、κ-μ、μ-η，这进一步完善了氮的低温高压相图（图3）。同时，研究还发现氮的离解行为会导致相图中克拉珀龙斜率发生显著变化，这一发现对高压相平衡理解具有重要意义。

图3. 固态氮的低温高压相图

利用自主研发的低温高压原位光谱测量系统，研究团队不仅能够更精确地捕捉物质在极端条件下的相变过程和振动特性，扩展了我们对固态氮在极端条件下物理行为的认知，这种技术优势在本次冷稠密氮的研究中得到了充分体现，同时也被成功应用于等温压缩路径下典型半导体的 B4-B1 相变（Appl. Phys. Lett., 126, 112109, 2025, Featured Article）、ZnS 的 B3-B1 相变特性及其声子演化行为（Appl. Phys. Lett., 126, 102103, 2025, Editor's Pick）的研究中，展现出广泛的适用性与显著的推广价值。等温压缩或等压冷却与原位光谱技术的结合为物质在极端条件下的研究提供了可借鉴的实验方法和技术路径。

感谢国家自然科学基金NSFC（Grant Nos. 12374013、U2030107)）和四川大学“青苗计划”对本项目的支持（Grant No. 2020SCUNL107）。