Рекордное давление открывает путь внутрь атомов

Рекордное давление открывает путь внутрь атомов

Российские физики совместно с коллегами из Европы и Америки впервые увидели взаимодействие внутренних электронов атомов осмия, помещенных под рекордное давление.

Большая команда исследователей из России, Германии, Швеции, США, Нидерландов и Франции провела исследования поведения кристаллической структуры осмия при сверхвысоком давлении. При этом был установлен мировой рекорд давления в 770 ГПа (7,7 млн. атмосфер). Предыдущий рекорд был «всего» 400 Гпа. Для объяснения экспериментальных данных использовалось численное моделирование на суперкомпьютерах. Результаты исследований опубликованы в Nature, одном из самых авторитетных научных журналов мира.

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.

Newsland.ru

Похожие новости:
Наноинженеры: давление открывает нанопоры в минералах
Сжимая пористое твёрдое тело, учёные неожиданно заставили его поры открыться шире, при этом впуская и захватывая в ловушку ионы европия, сообщает «WordScience.org». Учитывая сходство между ионами европия и урана, команда учёных из в университета Южной Каролины (University ..
2012-04-7 1335 0 Научные открытия
0
Ученые создадут давление, как в центре Земли
Алмазные кристаллы, имеющие специальную форму и сложную поверхность, будут использованы при создании научной установки, с помощью которой ученые могут воспроизвести постоянное давление, превышающее давление в центре Земли. Новая технология изготовления и обработки алмазных кристаллов, своего ..
2012-11-2 1652 1 Научные открытия
0
Физики запутали рекордное число фотонов
Китайские физики запутали рекордное число фотонов — 10 частиц. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает издание Physics.Для запутывания пары фотонов, идущих в одном и том же направлении с одной и той же поляризацией, ученые пропускали свет через пару ..
2016-11-18 3705 0 Научные открытия
0
В США увидели «твердый» свет
Ученые из США и Швейцарии сумели продемонстрировать корпускулярные свойства света. «Твердый» свет, наблюдаемый специалистами в лаборатории в США, открывает большие возможности для исследований в области квантовой оптики и физической кинетики. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Reviev ..
2014-09-10 2279 0 Научные открытия
-1
Впервые получено изображение движения атомов в молекуле
Впервые было получено изображение вибрации двух атомов в молекуле с помощью новой сверхбыстрой камеры.  Команда из государственных университетов штатов Огайо и Канзас использовали сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы выбить один электрон из его орбиты в молекуле. Через короткий ..
2012-03-12 2492 0 Научные открытия
0
Американцы создали рекордное магнитное поле
Специалисты Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (LANL) создали рекордное магнитное поле – магнитная индукция составила 100 Тесла. Для сравнения – естественное магнитное поле нашей планеты в два миллиона раз меньше. Команда исследователей шла к этому событию без малого 15 лет! Отметим, что магнитное ..
2012-03-26 1904 0 Научные открытия
0
Падающие атомы проверили закрученность пространства-времени
Физики из университетов Гуаньчжоу и Сунь Ятсена проверили универсальность гравитации по отношению к объектам, обладающим различным спином. С точностью вплоть до десятимиллионных долей авторам удалось показать, что свободное падение для атомов рубидия не зависит от их собственного момента импульса. Этот результат ..
2016-07-09 1934 0 Научные открытия
0
Физики увидели «нанозвезды» на фоне «сверхпроводящей вселенной»
Российские физики вместе с французскими коллегами впервые увидели возбужденные состояния вокруг единичных магнитных атомов железа. Они обнаружили, что магнитные атомы создают возмущения, которые выглядят как осциллирующие «нанозвезды» на фоне «сверхпроводящей вселенной». Результаты своих исследований авторы ..
2015-10-13 1548 0 Научные открытия
-1
Точная оценка числа Авогадро поможет дать новое определение килограмма
Международный коллектив ученых предложил усредненное значение числа Авогадро, рассчитанное на основе их предыдущих экспериментов. Поскольку это число связано со многими важными константами физики, оно имеет большое значение для нового определения понятия килограмма, которое планируют представить в 2018 ..
2015-07-15 6364 0 Научные открытия
0
Ученые усомнились в реальности борофена
Две группы химиков пришли к противоположным выводам о возможности существовании аналога графена, составленного из атомов бора. Ученым из Университета Брауна и китайского Университета Цинхуа удалось получить молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества; ученые из МФТИ и Нанкинского университета ..
2014-02-06 1239 0 Научные открытия
0
Музыка может буквально изменить головной мозг
Исследования, представленные на ежегодной встрече Общества неврологии (англ. Society for Neuroscience) в этом году показали, что музыкальное образование отвечает за перестройку и укрепление различных областей человеческого мозга, особенно, когда такое обучение начинается в возрасте до 7 лет, сообщает mindbrain.ru.Некоторые ..
2013-11-18 2704 0 Научные открытия
1
Загадочному физическому явлению нашли объяснение
Физики из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC выяснили механизм работы аномального сверхпроводника титаната стронция, который способен проводить электричество без сопротивления несмотря на то, что не является металлом. Об этом сообщает издание Science Alert.Титанат стронция — это оксид, однако ..
2018-03-27 6526 0 Научные открытия
0
Физики создали источник равных одиночных фотонов
Физики из Швейцарии, Франции и Германии создали источник света, который испускает одиночные фотоны равной длины волны. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Phys.org. Созданный учеными источник ..
2015-09-08 3681 0 Научные открытия
1
Ученые впервые получили металлический водород
Ученым из Германии и США удалось сжать до состояния металла жидкий дейтерий (изотоп водорода). Это новый шаг на пути к созданию твердого металлического водорода, сообщается в журналеScience. В 1935 году Хиллард Хантингтон и Юджин Вигнер выдвинули теорию, по которой для получения металлического водорода ..
2015-07-01 7149 0 Научные открытия
0
Российские ученые объяснили природу гипертонии
Российские биологи нашли возможные причины развития гипертонии (стойкого повышения артериального давления). Соответствующее исследование опубликовано в журнале Experimental Physiology, кратко о нем сообщает Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук.Одну из возможных причин развития ..
2017-03-10 10151 0 Научные открытия
-1