Рекордное давление открывает путь внутрь атомов

 Принципиальная схема ячейки с алмазными наковальнями.

Сердце установки – алмазные наковальни с зажатым объектом

Руководитель теоретической частью проекта Игорь Абрикосов (слева) и один из исследователей Маркус Экхольм

Суперкомпьютер НИТУ МИСиС

Профессор Наталья Дубровинская – руководитель лаборатории Байройтского университета (Германия), где была разработана установка для создания давления

Целью эксперимента было изучение изменений кристаллической структуры вещества под воздействием сверхвысокого давления. При этом из-за уменьшения расстояний между атомами внешние подвижные валентные электроны, определяющие свойства материала, взаимодействуют друг с другом и свойства материала могут кардинально изменяться. Так под высоким давлением блестящий электропроводящий металл натрий становится прозрачным диэлектриком, а газ кислород затвердевает и проводит электричество, и даже может стать сверхпроводником.

 В данном эксперименте в качестве опытного материала был выбран металлический осмий, обладающий уникальными свойствами: наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза. 

 Установку, способную создавать рекордное давление разработали в Байройтском университете в Германии.

Традиционный метод алмазных наковален был усовершенствован применением микро-полусфер из алмаза. В подобной установке объект исследования размещается между алмазными «наковальнями». Сжимающее усилие передается на рабочие площадки диаметром менее миллиметра, где благодаря исключительной твёрдости алмаза достигается огромное давление. Полученное в данном эксперименте давление в 770 ГПа в два раза превосходит давление в центре Земли. Одновременно прозрачность алмаза в широкой области спектра излучений позволяет изучать образец с помощью целого ряда методов, с большой точностью определяя температуру и относительные позиции атомов в кристаллической решетке. Для этого в проекте были задействованы синхротроны APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия). 

 Проведенное исследование выявило беспрецедентную устойчивость осмия – при огромных давлениях структура его кристаллической решетки в целом остается той же, что и при атмосферном давлении. Но, очень точные измерения методом рентгеновской дифракции показали, что под давлением в ней проявляются особенности в межатомных расстояниях, еще не описанные в теории.

 "Высокое давление не привело к какому-либо существенному изменению у валентных электронов, что удивило нас. Это заставило нас пересмотреть материалы и вернуться к теориям", – сказал профессор Игорь Абрикосов (Линчёпингский университет, Швеция), руководящий теоретической частью проекта. Одновременно он возглавляет Научную группу лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» Московского института стали и сплавов (МИСиС).

 Для понимания результатов эксперимента было проведено квантово-механическое моделирование с использованием суперкомпьютеров из России (МИСиС), Швеции и Франции.

 Выяснилось, что при сверхвысоком давлении в осмии начинается взаимодействие между внутренними электронами, тогда как обычно свойства материалов под давлением меняются из-за изменения валентных (внешних) электронов. Возможность влиять на внутренние электроны с помощью давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.

 Исследования поведения различных материалов при огромных сжатиях важны как для фундаментальной физики, так и для промышленности. Понимание физики и химии веществ под высоким давлением помогает синтезировать материалы, применяющиеся в экстремальных условиях и моделировать процессы, происходящие внутри гигантских планет и звезд, а также, возможно, создать сверхпроводники нового поколения.

 «Разработанные экспериментальные и теоретические методики, использованные в данной работе, будут использованы нами в новых исследованиях. Они выведут нас на качественно новое понимание поведения материалов и позволят реализовать важнейшую задачу – перейти от традиционного метода проб и ошибок к научно-обоснованной разработке новых материалов, сократив сроки этих разработок», – отметил Игорь Абрикосов.

Подробнее см.: http://www.nkj.ru/news/26855/ (Наука и жизнь, Рекордное давление открывает путь внутрь атомов)