晶体的结构在高压下如何演变，是凝聚态物理、材料科学、结构化学及地质科学中非常基础和核心的课题。传统上，人们将晶体定义为具有对称性的晶胞在三维空间的堆垛。此种定义在描述晶体的物性上取得了巨大的成功，如能带结构、晶格振动及光跃迁等。然而，这种定义方式却很难揭示晶体高压相之间的演化及内在关联。以金属二氧化物（MO₂）这一家族为例，虽有大量的理论和实验工作来表征它们的高压相结构，然而，对各个相之间的联系及它们的演化模式，目前人们所知甚少。

北京高压科学研究中心刘浩哲研究员带领的合作研究团队，将金属离子的配位多面体选为晶体的基本建构单元，来研究VO₂体系高压相的演变及微观机制。在这种新的视角下，他们发现了VO₂的高压相之间呈现出一种统一的相变模式。高压原位X射线衍射实验和第一性原理计算表明：强压缩导致的VO₂配位数的增加总是以一种有序的方式发生在钒-氧八面体的一个极轴上，而赤道面和另一个极轴在结构拓扑上则保持不变。MO₂化合物中的其他一些二氧化物金属阳离子虽然不同，但也表现出类似的相变模式及配位数的演化。此外，配位多面体之间的堆垛方式也朝着增加它们之间的共享来演化，反映出MO₂的化学键在高压下由离子性向共价性转化这一共性的规律。本项研究拓展了人们对高压下晶体概念的认识和理解，并找到了解决高压相如何演化这一难题的一个有效途径。

VO₂高压相及钒-氧配位多面体的演化