Materials synthesis at terapascal static pressures

Abstract

Theoretical modelling predicts very unusual structures and properties of materials at extreme pressure and temperature conditions1,2. Hitherto, their synthesis and investigation above 200 gigapascals have been hindered both by the technical complexity of ultrahigh-pressure experiments and by the absence of relevant in situ methods of materials analysis. Here we report on a methodology developed to enable experiments at static compression in the terapascal regime with laser heating. We apply this method to realize pressures of about 600 and 900 gigapascals in a laser-heated double-stage diamond anvil cell3, producing a rhenium–nitrogen alloy and achieving the synthesis of rhenium nitride Re7N3—which, as our theoretical analysis shows, is only stable under extreme compression. Full chemical and structural characterization of the materials, realized using synchrotron single-crystal X-ray diffraction on microcrystals in situ, demonstrates the capabilities of the methodology to extend high-pressure crystallography to the terapascal regime.

Prediction of Above-Room-Temperature Superconductivity in Lanthanide/Actinide Extreme Superhydrides

“…We performed structure searches in binary hydrides MH m ( m = 2–24) over a wide range of hydrogen contents to predict stable structures, with a sharp focus on hydrogen-superrich phases. Particularly noteworthy was the finding of new stoichiometric Ce and Th extreme superhydrides Ce/ThH 18 stable at experimentally accessible pressures , around 300 GPa after the zero-point energy (ZPE) was considered. Specifically, CeH 18 and ThH 18 become stable at reduced pressures of 315 and 281 GPa, respectively (see Figure a,b as well as Figure S1), making the experimental synthesis and characterization feasible.…”

Free energy predictions for crystal stability and synthesisability

“…A synthetic chemist is aided by the diversity of possible synthetic strategies, which can include extreme conditions (e.g. high pressure 83,84 ), non-equilibrium approaches (e.g. plasma-electrochemical methods 85 ), or even nuclear transmutation (e.g.…”

Druck zählt!

“…Ihre Synthese und Untersuchungen an ihnen wurden bisher sowohl durch die technische Komplexität von Ultrahochdruckexperimenten als auch durch das Fehlen relevanter Methoden zur Materialanalyse in situ behindert. Unser Team hat eine Methodik entwickelt, um diese Schwierigkeiten zu überwinden und die Untersuchung des Materialverhaltens bei statischen Drücken von bis zu 1 TPa (10 Millionen Atmosphären) zu ermöglichen [1].…”

“…In unserer jüngsten Veröffentlichung [1] haben wir nicht nur alle technischen Details beschrieben, sondern auch unseren Ansatz zur Sammlung und Verarbeitung von Synchrotron‐Röntgenbeugungsmustern (Abbildung 2, links), die von sehr kleinen Kristallen stammen, und den wir im letzten Jahrzehnt entwickelt haben [2–4]. Das Ergebnis der Datenverarbeitung ist ein Modell der Kristallstruktur (Abbildung 2, rechts).…”

“…Das Ergebnis der Datenverarbeitung ist ein Modell der Kristallstruktur (Abbildung 2, rechts). Rheniumnitrid Re 7 N 3 ist nun das erste Material, das wir auf diese Weise unter bisher nicht zugänglichen Kompressionsbedingungen synthetisieren und vollständig strukturell charakterisieren konnten [1]. Darüber hinaus ermöglichte uns seine Synthese, die Theorie zu bestätigen, die seine Existenz nur unter solch extremen Bedingungen vorhersagte.…”