在研究中 ， 项目团队利用先进的高压原位同步辐射XRD测量手段 ， 结合温控技术（图3） ， 精确测量晶体材料的晶格常数（或晶胞体积）等温压缩曲线 。 相比传统宏观的力学测量方法（如拉伸或压缩） ， 晶格常数的测量更干净 ， 分析更直观 ， 它能直接反映物质的本征弹性属性 ， 且不受塑性变形等因素影响 ， 是研究高压驱动莫特相变的有效工具 。 选择合适的莫特相变体系是该实验测量成功的关键 ， 而现有的莫特体系（Cr-doped V2O3和k-Cl）的相变压力过低（Pc < 1 GPa） ， 受限于金刚石对顶砧压力控制精度的影响（±0.2 GPa） ， 难以通过高压XRD测量获得足够的P-V数据 。 2015年 ， 研究人员首次确定了立方钙钛矿PbCrO3的高压等结构相变为绝缘-金属莫特相变 (S. Wang et al. PNAS 112 15320 (2015))， 并估计了其相变临界点在3 GPa和400 K 附近 ， 非常适合高压XRD实验研究 ， 并可获得准确的P-V数据 。
图3. 高压同步辐射XRD实验光路图
通过同步辐射XRD测量 ， 项目团队对PbCrO3中的莫特相变以及它的相变临界行为进行了系统研究 ， 揭示了该物质在莫特临界点附近的复杂粘弹性力学行为 ， 为理解莫特相变机理和电子-晶格耦合机制提供了坚实的实验证据 。 为了方便讨论 ， 研究人员将低压绝缘和高压金属相分别记为α-和β-PbCrO3相 ， 如图4所示 ， 在低温下（如150 K） ， 压力诱导的相变使XRD衍射峰发生不连续性跳变 ， 且没有新峰的生成或消失 ， 同时伴随晶胞体积~7%的坍塌 ， 这表明该相变为等结构相变 。 随着温度的改变 ， 晶格展现出较为异常的变化 ， 主要包括：1、α→β相变在430 K左右开始由一级相变转变为二级相变 ， 体积不连续坍塌消失 ， 由此得到的临界温度和压力分别为Tc = 430 K和Pc = 4.82 GPa; 2、相变动力学迟滞回线随着温度的增加而减小（图4(c)-(k) 青色区） ， 在Tc附近基本消失; 3、 随着温度降低到100 K以下或升高到330 K以上 ， 粘弹性能量损耗（如图4(c)-(k) 暗黄色区）发生了明显增加 。 特别是在接近Tc = 430 K时 ， 加压过程中存储在β相中的总弹性势能几乎全部被卸压过程中的粘弹性变形耗散；4、在Tc附近 ， β相在压缩过程中出现明显的软化 ， 以及在卸压过程中呈现体积模量的异常增强 。
图4. (a) - (b) 在150 K和430 K下 ， PbCrO3的等温高压XRD图谱 其中卸压过程所采图谱标记为“D” 。 (c) – (k)在加压和卸压过程中的等温P-V曲线 。 青色区 – 相变动力学迟滞回线区 ， 黄色区–β相中存储的可恢复的弹性势能 ， 暗黄色区–β相中的粘弹性耗散的能量 。 (l)在Tc = 430 K的P-V 曲线的放大图 。 (m) 积分P-V面积所得到的能量随温度的变化关系 ， 包括：压缩过程中存储在β相的总弹性势能（绿色） ， 卸压过程中β相可恢复的弹性势能（蓝色） ， 以及粘弹性损耗的能量（红色） 。 (n) 在升压与卸压过程中 ， β相中涉及的粘弹性损耗占总存储弹性势能的比例随温度的变化曲线 。
从图5(a)中 ， 可以更清楚看到在卸压过程中金属β相的晶格异常行为：在200–300 K之间 ， 各等温P-V曲线基本重合 ， 符合传统弹性力学行为 。 在 300 K以上 ， P-V的斜率明显增加 。 在390 K以上 ， 出现负斜率 ， 对应负体积模量异常力学特性 ， 可以用粘弹性行为进行解释 。 然而 ， 在低温200 K以下 ， 晶格也展现出明显的异常 ， 偏离直线关系也表明非弹性行为的产生 。 通常 ， 粘弹性是物质中的弹性与粘性二者共同作用的结果；很显然 ， PbCrO3的晶格纯弹性无法单独实现粘弹性现象 ， 必定有粘性流体参与了相变过程 。
考虑到异常力学行为只发生在金属β相变 ， 这表明电子在临界点附近产生了足够大的粘性流体行为 ， 并与晶格弹性发生强烈的耦合 ， 从而形成了粘性较大的粘弹性体 。 在200–300 K之间 ， 电子与电子间的频繁碰撞可能被晶格完全散射 ， 无法展现出电子的流体特性 。 而在200 K以下 ， 由于温度的降低 ， 晶格的振动逐渐被冻结 ， 对电子的散射作用减弱 ， 因此 ， 电子与电子间的碰撞又可重新产生流体行为 ， 并与晶格弹性一起产生粘性相对较小的粘弹性体 ， 使晶格行为发生一定的异常 。 实验结果表明 ， 由于绝缘α相不涉及巡游电子 ， 它的体积模量随着温度的升高呈典型的线型递减 ， 对应传统弹性力学行为（图5(b)）；相比之下 ， 在接近临界温度Tc时 ， 金属β相的体积模量在压缩过程中快速软化 ， 而在卸压过程中可以增长到令人惊讶的500 GPa左右 ， 这一数值甚至超过金刚石的体积模量（450 GPa） ， 这些发现都进一步验证了粘弹性的异常力学特点 。 根据等温相变的测量（见图4） ， 实验准确地描绘出该体系的P–T空间相图 ， 如图5(c)所示 ， 升压与降压相变起始点所构成的两条一级相变分界线将空间分为三部分：低压绝缘相、高压金属相、以及中间两相共存区 。 随着温度的升高 ， 在Tc处 ， 两条线汇聚在一点 ， 一级相变最终演变为二级相变 ， 跟经典的Mott相变相图一致（如图1） ， 也确认该相变符合Mott相变的特征 。 另外 ， 莫特相变的一级到二级相变特性也可以用粘弹性模型来解释 。
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