Физики упорядочили электродипольную решетку молекул воды
Физики экспериментально обнаружили переход группы молекул воды, размещенных в полостях кристаллической решетки кордиерита, в состояние, при котором электрические диполи этих молекул образуют упорядоченную структуру. Результат важен как с фундаментальной точки зрения — надежное экспериментальное наблюдение таких фазовых переходов в лаборатории ранее представляло трудности, так и с практической — упорядоченные электродипольные решетки молекул воды могут найти применение в области наноэлектроники (в том числе биосовместимой), а также помочь ученым в создании искусственных квантовых систем. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Когда возникает необходимость описывать электромагнитное поле сложных систем (как, например, молекулы) на расстояниях, которые значительно превышают размеры самой системы, физики пользуются дипольным приближением. В таком приближении роль реального объекта выполняет простая идеализированная система — диполь, причем поле (магнитное или электрическое) диполя с требуемой точностью соответствует настоящему и описывается векторной физической величиной — дипольным моментом.
Таким образом, для исследования электромагнитных свойств вещества бывает удобно рассматривать его как группу молекул, каждая из которых обладает неким дипольным моментом. При создании особых условий — например, приложении внешнего поля или охлаждении, диполи могут выстраиваться в упорядоченные структуры, а само вещество при этом — проявлять недоступные в стандартном состоянии свойства, которые удобно использовать на практике. На сегодняшний день упорядоченные состояния в большом количестве известны для систем магнитных диполей, в то время как экспериментальные исследования электрических — менее обширны и по-прежнему остаются сложной задачей.
Ученые из Германии, России, Чехии и Японии под руководством Михаила Белянчикова (M. A. Belyanchikov) из Московского физико-технического института экспериментально обнаружили и исследовали одно из упорядоченных состояний у электродипольной решетки воды — системы из регулярно расположенных в пространстве молекул H2O. Благодаря распространенности этой жидкости в окружающей среде, поиск таких конфигураций представляет интерес, в том числе, с позиции изучения природных систем и развития биосовместимых технологий. Тем не менее в условиях лаборатории группы молекул H2O в виде стандартной жидкости или льда не удается перевести в требуемое состояние — этому препятствуют водородные связи — электростатические взаимодействия между молекулами, которые не дают дипольным моментам выстраиваться в нужную конфигурацию.
Чтобы преодолеть влияние водородных связей, физики разместили молекулы воды в наноразмерных (миллионные доли миллиметра) порах природного кристалла кордиерита — в результате расстояние между молекулами составило 5–10 ангстрем (один ангстрем составляет десятимиллионную часть миллиметра и приблизительно соответствует расстоянию между кислородом и водородом в молекуле воды), в то время как водородные связи проявляются на масштабе 1–2 ангстрем. При этом сохранилось дальнее взаимодействие между электрическими дипольными моментами, которое характерно для расстояний в 10–100 ангстрем — молекулы воды образовали трехмерную электродипольную решетку.
Готовый образец авторы охлаждали (вплоть до температуры в 0,3 кельвин), а также подвергали воздействию внешнего электрического поля с частотами в диапазоне от герц до мегагерц и в области
, измеряя при этом
, теплоемкость,
образца и возникающий
ток. Те же измерения ученые проводили для кристалла без участия молекул воды — таким образом исследователям удалось извлечь из данных эксперимента информацию о том, как на изменения температуры и внешнего поля реагирует отдельно взятая электродипольная решетка.
Для интерпретации результатов опыта физики использовали также компьютерные симуляции, моделируя взаимодействие системы диполей в диапазоне температур 0,001–300 кельвин и наблюдая за образующейся наноразмерной структурой.
В результате авторам удалось надежно обнаружить сегнетоэлектрический фазовый переход типа «порядок — беспорядок» в электродипольной решетке вблизи 3 кельвин — около этой температуры диэлектрические и термодинамические характеристики группы молекул воды, которые физики измеряли в эксперименте, претерпевали характерные для такого перехода изменения.
Компьютерные симуляции также продемонстрировали открытый в ходе опыта фазовый переход, а также позволили исследователям установить взаимную ориентацию дипольных моментов в решетке. Оказалось, что полученная структура сочетает в себе два различных вида упорядоченности (проявляющихся в разных плоскостях кристалла): сегнетоэлектрический, при котором дипольные моменты сонаправлены, и антисегнетоэлектрический, при котором направления дипольных моментов в соседних цепочках противоположны.
По словам ученых, наряду с фундаментальной значимостью исследование имеет потенциал и для практического применения — воспроизведение упорядоченных состояний молекул воды в условиях лаборатории, вероятно, позволит достичь лучшего понимания явлений окружающей среды и поможет в создании устройств биосовместимой наноэлектроники.
От редактора
Изначально в заметке ошибочно сообщалось, что исследование опубликовано в Nature, но на самом деле статья вышла в Nature Communications.
Различные фазовые переходы часто становятся предметом исследования разных областей физики. Так, в прошлом году ученые предсказали преобразование формы звездных скоплений вокруг черной дыры, а в позапрошлом — впервые увидели переход азота в жидкое металлическое состояние.
Николай Мартыненко
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.