Под давлением твердое вещество приобретает новое поведение
Исследовано структурное поведение магния (Mg) при экстремальных давлениях — более чем в три раза выше, чем в ядре Земли — которые ранее были доступны только теоретически. Наблюдения подтверждают теоретические предсказания для Mg и демонстрируют, как давление в ТПа, в 10 миллионов раз превышающее атмосферное, заставляет материалы принимать принципиально новые химические и структурные свойства. Под огромным давлением валентные электроны, которые обычно свободно перемещаются по всему металлу Mg, локализуются в пустых пространствах между атомами и, таким образом, образуют почти безмассовый отрицательно заряженный ион. Теперь есть шарики двух разных размеров — положительно заряженные ионы Mg и отрицательно заряженные локализованные валентные электроны — это означает, что Mg может упаковываться более эффективно, и, таким образом, такие «электридные» структуры становятся энергетически более выгодными по сравнению с плотной упаковкой. Работа была только что опубликована в журнале Nature Physics под руководством Мартина Гормана, ученого LLNL.
Экзотические структуры магния (Mg), наблюдаемые при экстремальных давлениях (более чем в три раза превышающих давление в центре Земли) в Национальном центре зажигания, подтверждают теории десятилетней давности о том, что квантово-механические силы локализуют плотность валентных электронов (золото) в пространствах между атомами Mg (серый) для формирования «электридов». Кредит: Адам Коннелл/LLNL
Изучение того, как твердая материя ведет себя при огромных давлениях, например, в недрах планет-гигантов, является большой экспериментальной задачей. Чтобы помочь решить эту проблему, исследователи и сотрудники Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) глубоко погрузились в понимание этих экстремальных давлений.
Работа была только что опубликована в журнале Nature Physics под руководством Мартина Гормана, ученого LLNL.
«Наши результаты представляют собой значительный экспериментальный прогресс; мы смогли исследовать структурное поведение магния (Mg) при экстремальных давлениях — более чем в три раза выше, чем в ядре Земли — которые ранее были доступны только теоретически», — сказал Горман. «Наши наблюдения подтверждают теоретические предсказания для Mg и демонстрируют, как давление в ТПа, в 10 миллионов раз превышающее атмосферное , заставляет материалы принимать принципиально новые химические и структурные свойства».
Горман сказал, что современные вычислительные методы предполагают, что остовные электроны, связанные с соседними атомами, начинают взаимодействовать при экстремальных давлениях, вызывая нарушение традиционных правил образования химических связей и кристаллической структуры.
«Возможно, наиболее поразительным теоретическим предсказанием является образование «электридов» высокого давления в элементарных металлах, где свободные электроны валентной зоны сжимаются в локализованные состояния в пустых пространствах между ионами, образуя псевдоионные конфигурации», — сказал он. «Но достижение требуемых давлений, часто превышающих 1 ТПа, является очень сложной экспериментальной задачей».
Горман объяснил работу, описав лучший способ размещения шаров в бочке. Здравый смысл подсказывает, что атомы под давлением, как шарики в бочке, должны предпочитать складывать друг друга как можно эффективнее.
«Чтобы поместить максимальное количество шаров в бочку, они должны быть уложены максимально эффективно, например, в форме шестиугольника или куба», — сказал Горман. «Но даже самые близкие упаковки эффективны только на 74%, а 26% все еще остаются пустым пространством, поэтому, включив меньшие шары правильного размера, можно реализовать более эффективную упаковку шаров.
«Наши результаты показывают, что под огромным давлением валентные электроны, которые обычно свободно перемещаются по всему металлу Mg, локализуются в пустых пространствах между атомами и, таким образом, образуют почти безмассовый отрицательно заряженный ион», — сказал он. «Теперь есть шарики двух разных размеров — положительно заряженные ионы Mg и отрицательно заряженные локализованные валентные электроны — это означает, что Mg может упаковываться более эффективно, и, таким образом, такие «электридные» структуры становятся энергетически более выгодными по сравнению с плотной упаковкой».
Работа, описанная в документе, потребовала шести дней работы в Национальном центре зажигания (NIF) в период с 2017 по 2019 год. Члены международного сотрудничества отправились в LLNL, чтобы наблюдать за циклом выстрела и помочь проанализировать данные в дни после каждого эксперимента.
Современные эксперименты с мощным лазером на NIF в сочетании с методами наносекундной рентгеновской дифракции предоставляют первое экспериментальное свидетельство - в любом материале - формирования электридных структур при давлении выше 1 ТПа.
«Мы сжимали элементарный Mg, поддерживая твердое состояние до пикового давления 1,32 ТПа (более чем в три раза больше, чем давление в центре Земли), и наблюдали превращение Mg в четыре новые кристаллические структуры», — сказал Горман. «Формируемые структуры являются открытыми и имеют неэффективную упаковку атомов, что противоречит нашему традиционному пониманию того, что сферические атомы в кристаллах должны упаковываться более эффективно при увеличении сжатия».
Однако именно эта неэффективность атомной упаковки стабилизирует эти открытые структуры при экстремальных давлениях, поскольку пустое пространство необходимо для лучшего размещения локализованных валентных электронов. Прямое наблюдение открытых структур в Mg является первым экспериментальным свидетельством того, как взаимодействия электронов с валентным ядром и ядром с ядром могут влиять на структуры материалов при давлениях ТПа. По словам исследователей, трансформация, наблюдаемая между 0,96-1,32 ТПа, является структурным фазовым переходом при самом высоком давлении, который когда-либо наблюдался в любом материале, и первым при давлении ТПа.
Горман сказал, что такие эксперименты в настоящее время могут проводиться только в NIF и открывают двери для новых областей исследований.
