即便是硬度极高的碳化钨,在当时的压力研究中也很快达到了极限,而在高压下监测样品的状态更是十分困难。美国国家标准局的阿文·范·法尔肯堡(Alvin Van Valkenburg)等人开始寻找不同的材料和设备来产生更大的压强。
金刚石是我们所知道的最硬的矿物,由碳元素组成(99.9%)。它形成于地球内部高温、高压的环境中,最耐挤压,化学性质稳定,可以数年不受腐蚀性盐和酸的侵蚀,还可以透过电磁辐射而传递热量,但是不能导电。金刚石也因此成为最早被生产出来的耐高压产品之一。现在,金属液压机在相对较低的压力和温度下就可以用石墨(一种非结晶形式的碳),甚至是花生酱(含碳)生产出金刚石,通用电气公司已经生产出了数百吨工业用的金刚石。
于是,金刚石就出现在布里奇曼式压砧结构的顶端。金刚石的集中着力点只有10~20微米大小,拿头发对比一下吧,你的一根头发都有100微米粗,金刚石压砧因此能够产生高达770万个大气压。另外,金刚石对电磁辐射的透过性可以帮助我们利用X射线检测到样品在高温高压的环境中发生的结构变化(X射线的晶体衍射)。
两块面对面的金刚石并不是直接碰触样品。在它们之间还有一个用中间钻孔的薄金属做的垫卷,它可以更好地密封金刚石表面的间隙,形成一个小样品室。样品室内会注入液氩这样的压力传递介质,避免金刚石相互接触或与样品直接接触。样品室内通常还会放入一块红宝石。它们起到非常重要的作用,就是告诉我们施加的压力是多少。红宝石的荧光光谱会随着压力增大而变化,通过观察这种变化,可以算出垫卷内的压强。
另外要注意的是,只有非常小的样品才能放到金刚石压砧里面。
一切材料准备就绪,我们就开始旋紧固定金刚石的螺丝吧,加压开始!
如果你想获得地球深处的另一个极端状态——高温,就还要利用红外激光为金刚石压砧加热。