Сегодня в 18–00 по Московскому времени в одном из самых авторитетных общенаучных журналов Nature выходит научная статья Ведущего Ученого в своей области и руководителя лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» Игоря Абрикосова«The most incompressible metal osmium at static pressures above 750 gigapascals»

Работа над исследованием велась более 2 лет, Игорь Абрикосов работал над теоретической частью научного исследования, в результате исследования были достигнуты качественные результаты. Данную работу Игорь Абрикосов без преувеличения называет научным открытием.

Мы предлагаем Вам ознакомиться с эксклюзивным русскоязычным пресс-релизом по научной статье, который Игорь Абрикосов предоставил специально НИТУ «МИСиС». [взято с сайта geektimes.ru, NNN]

C момента изобретения ячейки с алмазными наковальнями в конце 1950-ых для исследования материалов в экстремальных условиях, максимальное статическое давление, реализуемое при комнатной температуре, всё время увеличивалось. Тем не менее, максимально достижимое давление составляло около 4 миллионов атмосфер (400 ГПа). В данной работе было достигнуто давление почти вдвое выше: при сжатии самого несжимаемого металла — осмия, максимальное давление составило 7.7 миллионов атмосфер. Рекордный результат был достигнут благодаря комбинации целого ряда самых современных методов: установки для создания сверхвысоких давлений, разработанной в Байройтском университете (Германия), синхротронов APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия), а также суперкомпьютеров в Швеции, Франции и России, использовавшихся для моделирования. Удивительно, что даже при давлениях, вдвое превышающих давление в центре Земли, учёные имели полный контроль измерения свойств материалов и фиксировали их изменения с высочайшей точностью. Так, было обнаружено, что сжатие до 4.4 миллиона атмосфер приводит к взаимодействию внутренних электронов атомов осмия, которое влияет на межатомные расстояния. Этот фундаментальный результат был опубликован в «Nature» и имеет очень большое значения для понимания физики и химии вещества под высоким давлением, а также для разработки материалов, ориентированных на применение в экстремальных условия, и для моделирования гигантских планет и звёзд.

Известно, что сверхвысокое давление существенно влияет на свойства химических элементов: металлов, которые могут становиться прозрачным изоляторами (натрий), газов, которые кристаллизуются и становятся проводящими (кислород) или даже сверхпроводящими. Рекордное значение давления было достигнуто за счёт применения микро-полусфер из наноалмаза, которые являются дополнительной ступенью по сравнению с традиционной методикой алмазных наковален (Рис. 1). Это усовершенствование позволяет существенно расширить диапазон давлений в экспериментах по статическому сжатию и достигнуть давления выше 750 ГПа (вдвое выше давления в центре Земли). Микронаковальни (от 10 до 20 мкм в диаметре) из супертвердого наноалмаза (размер зерна меньше ~50 нм) были синтезированы в большом объёмном прессе, что представляет собой новый метод, разработанный в Байройтском университете.

Металлический осмий является одним из наиболее уникальных материалов благодаря тому, что обладает наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза. Предполагалось, что, как и любой другой материал под давлением, осмий изменяет свою кристаллическую структуру. Однако, в настоящей работе была продемонстрирована беспрецедентная структурная стабильность этого металла. При огромных давлениях около 770 ГПа осмий обладает такой же структурой, что и при атмосферном давлении. В то же время, очень точные измерения рентгеновской дифракции показали, что в поведении параметра решётки под давлением появляются особенности. Обычно изменения свойств материалов под давлением обусловлены изменениями в конфигурации валентных (внешних) электронов, однако, в случае осмия под рекордно высоким давлением наблюдаемые структурные аномалии вызваны взаимодействием между внутренними электронами, как было показано посредством современных квантовомеханических расчётов. Таким образом, данная работа показывает, что сверхвысокие давления могут приводить к взаимодействию внутренних электронов. Возможность влиять на внутренние электроны даже в таком несжимаемом металле, как осмий, с использованием статического давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.

Рис. 1 Схема двухступенчатой алмазной наковальни для создания сверхвысоких давлений (слева) и фото ячейки с алмазными наковальнями созданной в университете Байройта, Германия (справа). Полусферы изготовлены из нанокристаллического алмаза, обладающего чрезвычайной прочностью, и закреплены на наковальнях, которые, в свою очередь, выполнены из алмаза ювелирного качества. Образец осмия имеет размер примерно 3 микрона и изображён точкой на поверхности нижней полусферы. Образец сжимается между наконечниками полусфер, которые поддерживаются давлением среды (кристаллизованный инертный газ или парафин), заполняющей ячейку с алмазными наковальнями. Сверхвысокое давление (в этой работе 7.7 миллиона атмосфер) реализуется за счёт приложения большой силы к очень маленькой поверхности. Диаметр полусфер составляет приблизительно 10 микрон. Диаметры рабочих поверхностей наковален, к которым крепятся полусферы, не превышает 250 микрон. (Рисунки любезно предоставлены Еленой Быковой)