Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Auteurs : Liang Sun, Bo Chen, Zhiyu He, Pin Yang, Zanyang Guan, Guo Jia, Fan Zhang, Yi Yang, Bo Xu, Pei Guo, Yonggang Liu, Wei Fan, Tao Xi, Yulong Li, Lingbiao Meng, Wei Kang, Zhiyong Xie, Yuqiong Tu, Cheng Ji, Xiuguang Huang, Zhongjing Chen, Ji Yan, Jiamin Yang, Wenge Yang, Toshimori Sekine, Zongqing Zhao, Jiayu Dai, Ho-Kwang Mao
Résumé scientifique
Whether carbon forms crystalline structures beyond diamond at terapascal pressures remains unresolved. Predicted for nearly four decades, the denser BC8 phase has lacked direct crystallographic evidence. Here we report the first direct crystallographic identification of BC8 carbon, formed as a single crystal from molten carbon during laser-driven decaying-shock compression of [100]-oriented diamond following loading above 1.1 TPa. Using in situ orientation-resolved single-crystal X-ray diffraction, we observe discrete Bragg spots whose spacings and angular relationships are reproduced by a common orientation matrix within each indexed BC8 reflection group, providing constraints beyond powder peak matching. Our single-crystal formation strategy and direct diffraction evidence resolve the decades-long quest for a post-diamond carbon structure, demonstrating how dynamic loading pathways can make predicted high-pressure phases experimentally accessible.
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Diamond melting and thermodynamic evidence for BC8 carbon at terapascal pressuresLiang Sun, Bo Chen, Huan Zhang et al. · 2026 · The Innovation · cité 1 fois · Pas encore résumé
« Diamond melting and thermodynamic evidence for BC8 carbon at terapascal pressures » examine la fusion du diamant et les indices thermodynamiques d’une phase BC8 aux mêmes pressions.
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Extreme Metastability of Diamond and its Transformation to the BC8 Post-Diamond Phase of Carbon.K. Nguyen-Cong, J. T. Willman, Joseph M Gonzalez et al. · 2024 · Journal of Physical Chemistry Letters · cité 32 fois · Pas encore résumé
« Extreme Metastability of Diamond » simule la métastabilité du diamant et les conditions de transformation vers BC8, phase que l’étude identifie par diffraction.
Résumé scientifique
Diamond possesses exceptional physical properties due to its remarkably strong carbon-carbon bonding, leading to significant resilience to structural transformations at very high pressures and temperatures. Despite several experimental attempts, synthesis and recovery of the theoretically predicted post-diamond BC8 phase remains elusive. Through quantum-accurate multimillion atom molecular dynamics (MD) simulations, we have uncovered the extreme metastability of diamond at very high pressures, significantly exceeding its range of thermodynamic stability. We predict the post-diamond BC8 phase to be experimentally accessible only within a narrow high pressure-temperature region of the carbon p…
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Double-Shock Compression Pathways from Diamond to BC8 Carbon.Jiu-Yang Shi, Zhi-Xin Liang, Jun-Jie Wang et al. · 2023 · Physical Review Letters · cité 28 fois · Pas encore résumé
« Double-Shock Compression Pathways » modélise par dynamique moléculaire des trajectoires de compression vers BC8, tandis que l’étude observe cette phase par diffraction.
Résumé scientifique
Carbon is one of the most important elements for both industrial applications and fundamental research, including life, physics, chemistry, materials, and even planetary science. Although theoretical predictions on the transition from diamond to the BC8 (Ia3[over ¯]) carbon were made more than thirty years ago, after tremendous experimental efforts, direct evidence for the existence of BC8 carbon is still lacking. In this study, a machine learning potential was developed for high-pressure carbon fitted from first-principles calculations, which exhibited great capabilities in modeling the melting and Hugoniot line. Using the molecular dynamics based on this machine learning potential, we desi…
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Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressuresM. Millot, F. Coppari, A. Lazicki et al. · 2026 · Nature Physics · cité 3 fois · Pas encore résumé
« Diamond melting in shock compression experiments » étudie la fusion du diamant sous choc autour de 1 TPa, étape liée à la formation de BC8 recherchée ici.
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Pressure-Induced Interlayer Bonding in Arsenic Revealed by Single-Crystal Synchrotron X‑ray Diffraction in a Diamond Anvil CellM. Ceppatelli, M. Morana, Enrico Berretti et al. · 2026 · Journal of the American Chemical Society · Pas encore résumé
« Pressure-Induced Interlayer Bonding in Arsenic » utilise la diffraction X monocristalline sous pression pour caractériser une transition structurale, comme l’étude du carbone.
Résumé scientifique
Arsenic was studied by single-crystal synchrotron X-ray diffraction during room T compression up to 37.8 GPa across the rhombohedral (As–I, A7) to simple cubic (As–II, sc) phase transition, using a diamond anvil cell for pressure generation and He as a pressure-transmitting medium. The pressure dependence of the rhombohedral lattice parameter a, angle α, atomic position parameter u, and first (d 1) and second (d 2) neighbor distances provides experimental evidence for a two-step pressure-induced interlayer bond formation mechanism, underlying the transition from the layered A7 structure to the nonlayered simple cubic one. Consistent with phosphorus, our data demonstrate the existence of an i…
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Towards a quantitative description of nanostructured order in amorphous diamond-like carbonA. Salek, Hendrik Heimes, E. Turner et al. · 2026 · Nature Communications · Pas encore résumé
« Towards a quantitative description » caractérise l’ordre nanostructuré d’un carbone amorphe, plutôt que la phase cristalline BC8 étudiée ici.
Résumé scientifique
Our knowledge of crystals rests on precisely measured structural models, which are lacking for amorphous matter. Without long-range order, the available experimental evidence matches competing structural models, including paracrystalline and random network models, limiting our understanding of formation mechanisms and properties. This impedes discovery of new amorphous materials, including high-density sp³-rich carbons, among the hardest known. We show that the pair-angle distribution function (PADF) overcomes these limitations, applying it to a non-crystalline sp³-rich carbon produced by compression of fullerenes at room temperature. The PADF reveals that this phase contains nanostructures …
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Optical transitions in diamond at ultrahigh pressuresHo-kwang Mao, R. Hemley · 1991 · Nature · cité 88 fois · Pas encore résumé
« Optical transitions in diamond » porte sur les propriétés optiques du diamant à très haute pression, tandis que l’étude examine sa transformation structurale.
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Maximizing completeness in single-crystal high-pressure diffraction experiments: phase transitions in 2°APD. Tchoń, A. Makal · 2021 · IUCrJ · cité 5 fois · Pas encore résumé
« Maximizing completeness » analyse l’orientation et la complétude des données de diffraction monocristalline sous pression, méthode également employée ici.
Résumé scientifique
The influence of a diamond anvil cell (DAC) aperture, incident radiation wavelength and sample orientation in a DAC on the completeness of diffraction data collected at high pressure has been systematically analyzed. The considerable impact of sample orientation on achievable data completeness has been confirmed and quantified for all Laue classes in the form of graphical guides. These guides have been applied to predict sample orientation for structural analysis of a sample undergoing an orthorhombic → monoclinic phase transition under pressure which ensured over 90% completeness.
Les travaux antérieurs sur lesquels il s’appuie
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Equation of state for boron nitride along the principal Hugoniot to 16 MbarHuan Zhang, Yutong Yang, Wei-Min Yang et al. · 2024 · Matter and Radiation at Extremes · cité 6 fois · Pas encore résumé
« Equation of state for boron nitride » mesure la réponse d’un matériau aux chocs extrêmes, mais porte sur le nitrure de bore plutôt que sur BC8.
Résumé scientifique
The thermodynamic properties of boron nitride under extreme pressures and temperatures are of great interest and importance for materials science and inertial confinement fusion physics, but they are poorly understood owing to the challenges of performing experiments and realizing ab initio calculations. Here, we report the first shock Hugoniot data on hexagonal boron nitride at pressures of 5–16 Mbar, using hohlraum-driven shock waves at the SGIII-p laser facility in China. Our density functional theory molecular dynamics calculations closely match experimental data, validating the equations of state for modeling the shock response of boron nitride and filling a crucial gap in the knowledge…
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Stability and electronic properties of complex structures of silicon and carbon under pressure: Density-functional calculations.R. Biswas, Richard M. Martin, R. Needs et al. · 1987 · Physical Review B (Condensed Matter) · cité 61 fois · Pas encore résumé
« Stability and electronic properties » calcule la stabilité de structures complexes du carbone sous pression, fournissant un cadre théorique pour l’étude de BC8.
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Machine learning interatomic potential for simulations of carbon at extreme conditionsJ. T. Willman, K. Nguyen-Cong, Ashley S Williams et al. · 2022 · Physical review B · cité 48 fois · Pas encore résumé
« Machine learning interatomic potential » développe un potentiel pour simuler le carbone à pression et température extrêmes, conditions pertinentes pour l’étude.
Résumé scientifique
A Spectral Neighbor Analysis (SNAP) machine learning interatomic potential (MLIP) has been developed for simulations of carbon at extreme pressures (up to 5 TPa) and temperatures (up to 20,000 K). This was achieved using a large database of experimentally relevant quantum molecular dynamics (QMD) data, training the SNAP potential using a robust machine learning methodology, and performing extensive validation against QMD and experimental data. The resultant carbon MLIP demonstrates unprecedented accuracy and transferability in predicting the carbon phase diagram, melting curves of crystalline phases, and the shock Hugoniot, all within 3% of QMD. By achieving quantum accuracy and efficient im…
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Ramp compression of diamond to five terapascalsRaymond F. Smith, J. Eggert, R. Jeanloz et al. · 2014 · Nature · cité 225 fois · Pas encore résumé
« Ramp compression of diamond » comprime le diamant jusqu’à plusieurs terapascals, mais ne rapporte pas l’identification cristallographique de BC8.
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Carbon under extreme conditions: Phase boundaries and electronic properties from first-principles theoryA. Correa, S. Bonev, G. Galli · 2006 · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · cité 211 fois · Pas encore résumé
« Carbon under extreme conditions » calcule les frontières de phase du carbone, contexte théorique pour la recherche expérimentale de BC8.
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Mis à jour le 9 novembre 2026.