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.
