|
Как твердая материя ведет себя в недрах планет-гигантов
|
|
|
|
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 выше атмосферного — 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.
|
|
|
|
Источник
|
