Рекордные давления заставили осмий изменить механические свойства

Международной группе физиков в соавторстве с профессором Игорем Абрикосовым (НИТУ «МИСиС») удалось побить рекорд статического давления, оказываемого на образец в алмазной ячейке — было достигнуто давление в 7,7 миллионов атмосфер, что более чем в два раза превышает давление в центре Земли. Авторы обнаружили благодаря этому новый класс электронных переходов, возникающих в осмии при внешних давлениях свыше 4,4 миллиона атмосфер. Работа опубликована в журнале Nature, кратко с ней можно ознакомиться в пресс-релизе Германского электронного синхротрона.

Физики помещали образец порошка осмия, смешанного с вольфрамом в двухступенчатую алмазную «наковальню», после чего подвергали его сжатию. Вольфрам играл роль внутреннего стандарта — по изменениям его свойств авторы определяли достигнутое давление. Сам порошок исследовался с помощью методов рентгеновской дифракции: излучение, проходя через вещество, рассеивается определенным образом, формируя картины из пятен, по взаимному расположению которых можно восстановить кристаллическую решетку вещества.

Оказалось, что при давлениях около 150 и 440 гигапаскалей (1,5 и 4,4 миллиона атмосфер) в кристаллической решетке материала наблюдаются аномалии в отношении высоты и ширины кристаллической ячейки. Авторы связывают первую из аномалий с изменением внутренней электронной структуры материала, однако она не приводит к изменению макроскопических свойств осмия: анализ зависимости параметров ячейки от давления сжатия показывает одинаковые модули упругости на участках до 150 гигапаскалей и от 170 до 400 гигапаскалей.

Вторая аномалия изменяет этот параметр на четверть, уменьшая его с 400 до 300 гигапаскалей. Физики смогли объяснить его, проведя симуляции с помощью суперкомпьютера. Как оказалось, аномалия вызвана взаимодействием между электронами внутренних оболочек атомов осмия, которое, в свою очередь, является последствием сильного сжатия материала. По словам авторов, это первое экспериментальное наблюдение изменения макроскопических свойств веществ под высоким давлением, вызванного таким образом.

Ранее различным группам ученых удавалось обнаружить необычные состояния материалов при высоких давлениях. Так, например, одно из исследований в соавторстве с Артемом Огановым обнаружило, что под высоким давлением металлический натрий может становиться прозрачным диэлектриком. Другая работа, недавно опубликованная в Nature, показала, что при высоких давлениях сероводород может становиться сверхпроводником с рекордно высокой температурой сверхпроводящего перехода.

Эти материалы отличаются от осмия своей высокой способностью к сжатию. Осмий — одно из самых твердых веществ. По словам авторов, умение изменять свойства внутренних электронов в таких материалах открывает возможности для поиска новых состояний материи.