石墨在皮秒内转变为六方金刚石，实验解决了一个长期理论问题

科学家们对石墨金刚石相变很感兴趣，因为在非常快的时间尺度上，材料动力学阻碍了从石墨到平衡立方金刚石晶体结构的转变，我们通常称之为金刚石。石墨的冲击波压缩通常需要高于50GPa（500000个大气压）的压力才能在冲击压缩实验的时间尺度上观察相变。此外，在陨石撞击事件后的冲击压缩材料中观察到称为朗斯代尔石的六角多型金刚石，这表明压缩的时间尺度在相变中起着重要作用。
在新的实验中，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室LLNL的科学家们利用皮秒时间尺度激光压缩模拟了朗斯代尔陨石的形成条件，并利用飞秒X射线脉冲观察了这种转变与最先进的材料表征。冲击压缩后对朗斯代尔石的观察一直是个谜，包括关于六方金刚石是作为扩展结构存在。
先前关于石墨在中度冲击压缩下向金刚石或朗斯代尔石相变的研究支持相变的无扩散机制，但这些研究没有通过相变观察到原子结构，因此没有揭示相变机制原理。参与本次实验的一位材料冲击行为科学家解释说：“几十年来，我们一直在猜测这种相变的机制和中间状态，以及为什么它只能在快速压缩下形成。在这里，我们表明朗斯代尔结构是向立方金刚石相变的中间状态。”
在实验中，该团队利用直线加速器相干光源上极端条件下物质仪器的独特能力，探索了皮秒级压缩冲击上升后碳的相变行为，随后持续压缩约100 ps。超快压缩实验已用于研究极端弹性压缩、亚100ps无扩散相变和应变速率相关冲击诱导化学作用下物质的先前未知状态，但石墨对超快压缩的响应尚未在皮秒时间尺度上进行过研究。
“这些实验类似于早期的时域实验，以确定物理化学中的过渡状态。由于观察时间尺度非常短，该实验具有观察短寿命相变中间体的能力，类似于化学反应中的过渡态。”团队成员看到了产品阶段与初始阶段密切相关的阶段转换。他们观察到，在压缩后20秒内，该产品具有高度织构，几乎是单晶。
科学家们说道：“这证实了早期的猜测，即这种相变是无扩散的，朗斯代尔石是一种中间物，甚至在转变为平衡终态时也是立方钻石。这项实验解决了几十年来关于相变性质的猜测，这一直是大量理论工作的主题。”