本文的主要作者为Yin Luo, Shikai Xiang, Jun Li, Jian Wu, Lixin Liu, Jiabo Li, Yunting Xian和Run Wu。他们均隶属于中国工程物理研究院流体物理研究所的国家重点实验室，地址在中国绵阳。这项研究的成果发表在《Physical Review B》第107卷（编号134116），具体出版时间为2023年4月25日。
这项研究所在的主要学术领域是地球物理学和行星科学，特别是对地球和超地球系外行星地幔主要成分氧化镁（MgO）在极端条件下物理性质的研究。MgO是地幔中以NaCl晶体结构（B1相）形式存在的重要组成部分，在压力达到350 GPa和温度9100 K条件下仍能保持稳定。现有研究表明，MgO的状态方程（Equation of State, EOS）可以作为压力尺度的基本参考。然而，已有的EOS在高温高压下存在显著不确定性，这严重妨碍了其在压强标尺中的应用。
作者进行这项研究的动机是针对上述现有问题，开发出更精确的MgO状态方程，以提高在高压、高温条件下模拟地球深部压强的准确性。这项研究的一大目标是提出一种完整的MgO EOS，包括固体MgO的压力-体积-温度（P-V-T）EOS形式，能够用作高精度的压力标尺。
实验与理论建模流程 研究分为以下几个步骤展开：
选择热力学模型： 研究者基于准德拜（quasi-Debye）热力学模型，选择了Helmholtz自由能作为基础理论框架，用以描述MgO晶格的热振动特性。模型通过体积依赖的声速来确定声子色散关系和声子态密度。
参数优化与实验数据整合： 作者利用全局优化算法，综合不同实验数据类型，包括室温声速数据、冲击压缩实验的温度-压强以及声速数据，优化模型参数。这些数据涵盖了265 GPa以内的主Hugoniot曲线压力、174–203 GPa间的P-V-T数据，以及荣格和其他合作团队测量的多种声学实验数据。
实验部分与数据收集： 在实验室条件下，研究者通过冲击压缩实验测量的数据包括亮铝箔装置对冲击样品的辐射、用多通道辐射高温计捕捉的光谱亮度以及通过多普勒引针系统（DPS）测得粒子速度。在实验中，所使用的MgO样品为单晶〈100〉，其初始密度为3.590(0.004) g/cm³。
算法与分析方法： 在数据分析中，研究者基于Rankine-Hugoniot能量方程计算温度与声速；通过Helmholtz自由能表达式，导出P-V-T EOS；结合冷能量的二阶Rydberg-Vinet方程进一步细化模型。
声子特性模拟与依赖性研究： 作者以密度依赖的声学特性推导声波的纵波剪切波速度，并基于晶体Poisson系数拟合德拜温度与声子色散关系。
状态方程高精度拟合： 本研究首次提出了一种完整的MgO EOS，覆盖范围为345 GPa和8500 K。其冷态E0K(v)通过Rydberg-Vinet二阶方程描述，热振动自由能由准德拜模型计算得出。所提出的EOS展现了良好的预测能力，可再现实验数据，包括P-V-T数据、Hugoniot声速以及等压比热Cp。
实验验证数据及模拟结果： 研究表明，所构建的P-V-T EOS能够重现重要实验结果，如本研究与前人实验中的冲击压缩温度和压力差异极小（最大误差4.65%）。新测量的声速也得以被理论模型高精度拟合，实验中高达265 GPa的声速结果，理论计算仅偏差1.26%。
物理状态转变的行为： 研究发现，在温度超过152 GPa时，MgO从透明变为不透明。这一临界行为为采用光学手段深入研究MgO的P-V-T性质提供了新思路。
等压比热验证分析： 本研究通过Helmholtz自由能解析了新EOS对等压比热的良好预测能力。结果发现，尽管在低温条件下存在微小偏差（T < 750 K），但在更广泛的温度范围（最高至3100 K）内，热力学一致性明显优于已有文献中的状态模型。
研究最终形成了一个完整的MgO状态方程，能够准确表征高温高压条件下的MgO物性。这一EOS特别适用于模拟极端地球深部条件，并将为未来行星地幔压力标尺的校准提供重要技术支持。它改进了现有的物理模型，之后可能被广泛应用于地球物理和行星科学领域。此外，由于实验方法和建模的高精度，该研究还将对材料科学的实验方法改进产生深远影响。
创新模型框架： 研究选择了基于Helmholtz自由能的三参数拟合方案，弥补了现有极端条件下MgO晶格热振动描述的局限性。
高质量实验成果： 本研究首次报道了冲击压缩拉格朗日声速的高分辨率实验数据。
与实验数据一致性强： 研究表明提出的结果能够很好地再现从静态超声实验到冲击压缩实验中获取的多种类型数据。
研究还附录了详细的德拜温度计算说明，并发表了方便使用的经验公式，使新提出的P-V-T EOS能直接用作高压测量中的压强标尺，从工作意义上做到了实验科学与实际应用的无缝对接。