Применив новый метод «холодного» сжатия образца, ученые выяснили что при давлении уровня планетарного ядра, алмаз не претерпевает плавления и других фазовых переходов. Для этого они использовали рентгенодифракционный анализ и оказались первыми, кто провел его при таком высоком давлении. В статье опубликованной в Nature авторы предлагают новый метод сжатия алмаза до рекордных значений давления.
На Земле углерод существует в ряде аллотропных модификаций, многие из которых общеизвестны: уголь, графит, алмаз. Со второй половины двадцатого века физики описали также несколько необычных, но стабильных модификаций, таких как фуллерен, графен и углеродные нанотрубки. Будучи четвертым по распространенности во Вселенной, углерод является очень важным объектом для понимания структуры планет как внутри Солнечной системы, так и за ее пределами. Особенно важным является исследование фазовых равновесий углерода при давлении от одного терапаскаля и выше. Это позволит моделировать условия внутри планетарного ядра и даст возможность узнать больше о строении планет подобных земле.
Недавно с помощью ячейки с алмазными наковальнями физики смогли достичь давления порядка одного терапаскаля, до сих пор это считается максимально возможным давлением, полученным статически в лаборатории. Чаще такое давление получают с помощью ударного сжатия, но эксперименты с алмазом показали, что в этих условиях он начинает плавиться при давлении около 0,6 терапаскаля из-за сильного разогрева, сопровождающего процесс сжатия. Впрочем, недавно физики разработали технологию, позволяющую избежать разогрева при сжатии. Для этого они проводили сжатие, длительность которого превышает время прохождения звуковой волны через образец. Таким образом ученым удалось избежать избыточного перегрева.
Группа физических химиков под руководством Эми Лазитски (Amy Lazicki) из Национальной лаборатории Ливермора поставила рекорд, применив метод рентгеновской дифракции при давлении до двух терапаскалей. На сегодняшний день это самое высокое давление, при котором ученым удавалось получить какие-нибудь структурные данные о веществе. Для сжатия образца, авторы использовали пучок из 16 лазерных лучей. При этом в качестве образцов использовался как чистый алмаз, так и эпоксидно-алмазный композит. Последний ученые использовали для отведения тепла от самого алмаза. Сами стрессовые состояния находились в пределах от 0,8 до 2,0 терапаскалей.
Во время пикового сжатия образца, отдельные лучи направлялись на германиевую или циркониевую фольгу, размещенную рядом с образцом, для создания яркого квазимонохроматического рентгеновского луча с энергиями 10,25 килоэлектронвольт для германия и 16,25 килоэлектронвольт для циркония. При этом рентгеновские лучи, источником которых был сам образец, проходили через коллиматор сразу за образцом. Образец находился в сферической камере с полной сферической детекцией. Это позволило авторам получить полную дифракционную картину сверхсжатого состояния алмаза.
Несмотря на
о фазовых переходах в алмазе при высоком давлении, а также об образовании альтернативных стабильных и метастабильных фаз, авторы не обнаружили признаков фазовых переходов в образцах алмаза. Авторы отмечают, что из этого можно сделать вывод о прочности одинарной связи углерод-углерод. Ранее физики
, что фазовый переход алмаза наступит при 170 гигапаскалях, что примерно в десять раз ниже, чем полученные в этой работе два терапаскаля. Также отсутствие плавления образца при настолько высоком давлении позволит многое узнать о фазовых переходах углерода. Авторы отмечают, что разработанный ими метод пока не позволяет измерять температуру образца достаточно точно. Появление достаточно достоверного метода измерения температуры позволит построить более точные модели прочности и фазовых равновесий материала.
Углерод и множество его аллотропных модификаций часто привлекают внимание ученых. Например, недавно химики доказали.
Егор Длин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.