Физики из США, Великобритании и Китая впервые увидели фазовый переход азота в состояние жидкого металла в прямом эксперименте. Для этого исследователи сжали образец на алмазной наковальне до давления порядка 1,2 миллиона атмосфер и нагрели его лазером до температуры около трех тысяч кельвинов, поддерживая давление постоянным, а затем измерили спектры поглощения и отражения вещества. Статья опубликована в Nature Communications.

В настоящее время атмосфера Земли примерно на 75 процентов состоит из азота (если сравнивать массу газов), хотя так было не всегда. Изначально атмосфера состояла из водорода и гелия, захваченных из межпланетного пространства, а потом начала насыщаться аммиаком, углекислым газом и водяным паром в результате вулканической активности. Со временем легкие газы улетучились в космос, а аммиак окислился под действием кислорода, вырабатываемого в результате фотосинтеза. Если проследить эту цепочку в обратную сторону, можно увидеть, что бо́льшая часть атмосферного азота в прошлом находилась внутри Земли, где условия существенно отличаются от поверхности: давление там может доходить до 3,5 миллионов атмосфер, а температура — до шести тысяч градусов Кельвина.

В таких экстремальных условиях вещество ведет себя необычно — например, молекулы собираются в кристаллическую структуру, а многие «невозможные» соединения становятся стабильными. Во многом поведение азота при высоких давлениях и температурах напоминает поведение другого известного двухатомного газа — водорода. Каждое из этих веществ при определенных условиях превращается в металл, а его молекулы распадаются на отдельные атомы; при этом кривые в пространстве параметров, разделяющие различные фазы, выглядят очень похоже (например, при высоких температурах переходы непрерывны). Тем не менее, химические свойства азота и водорода отличаются — благодаря тому, что атомы азота могут образовать две или три ковалентные связи с другими атомами, азот может формировать сложные полиатомные и полимерные соединения. Из-за этого при высоких давлениях существует большое число различных фазовых состояний азота — например, к их числу относят аморфную жидкость, кубическую (cubic-gauche, cg-N) и «слоеную» (layered polymeric, LP-N) структуры. К сожалению, большинство исследований азота в экстремальных условиях — чисто теоретические, то есть полагаются на численные расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT). В частности, из-за ограничений на установки, получающие сверхвысокие давления, до последнего времени экспериментаторы не могли проверить область давлений более одного миллиона атмосфер и температур от 2500 до 6000 кельвинов — область, отвечающую условиям в центре Земли.

Группа исследователей под руководством Александра Гончарова заполнила этот пробел, сжимая азотный образец на алмазной наковальне до давлений 1,2–1,6 миллиона атмосфер (120–160 гигапаскалей) и нагревая его с помощью инфракрасного лазера до температуры около трех тысяч кельвинов. Для нагрева ученые светили на образец лазерными импульсами длительностью 4–10 микросекунд — этого промежутка времени достаточно, чтобы в веществе установилось термодинамическое равновесие, но еще не начали формироваться полимерные цепочки. Давление в ходе повышения температуры оставалось практически постоянным (колебания составляли менее пяти процентов). После окончания нагрева ученые просвечивали образец лазерным излучением с непрерывным спектром в оптическом диапазоне (длина волны 480–750 нанометров) и измерили спектры поглощения и отражения.

Схема экспериментальной установки. S. Jiang et al. / Nature Communications

Схема и фотография (в правом верхнем углу) алмазной ячейки. S. Jiang et al. / Nature Communications

В результате ученые обнаружили, что при фиксированном давлении Pc > 1,2 миллиона атмосфер и повышении температуры до величины Tc = 3000 кельвинов доля поглощенного излучения резко падает во всем спектральном диапазоне, а доля отраженного излучения резко возрастает. Это указывает на то, что при низких температурах вещество является сравнительно прозрачным полупроводником с широкой запрещенной зоной, а при нагревании ширина запрещенной зоны уменьшается, и азот становится металлом. Критическое давление Pc близко к условиям образования кристаллической кубической фазы cg-N, что говорит о низкой энергии диссоциации молекул. С другой стороны, критическая температура Tc близка к температуре плавления твердых фаз азота. Следовательно, наблюдаемое в эксперименте состояние — это состояние жидкого металла, образованного практически полностью распавшимися молекулами азота.

Спектр поглощения образца во время нагрева лазерным импульсом при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер. S. Jiang et al. / Nature Communications

Доли поглощенного излучения при разной мощности лазера при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер. S. Jiang et al. / Nature Communications

Пересчет энергии лазерного импульса в температуру образца. Во вставке — зависимость доли поглощенного излучения от температуры. S. Jiang et al. / Nature Communications

Спектр отраженного излучения во время нагрева лазерным импульсом при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер. S. Jiang et al. / Nature Communications

Авторы статьи отмечают, что эти результаты совпадают с результатами похожих экспериментов, в которых высокое давление получалось динамически, а не статически. Тем не менее, достигаемая в этих экспериментах температура не опускалась ниже 7000 кельвинов — потому они не могли ухватить момент перехода вещества в жидкое металлическое состояние, а только констатировали его образование. Кроме того, фазовый переход происходит при более высоких давлениях, чем предсказывали теоретические модели — это значит, что теория требуют определенной доработки.

Физики часто исследуют поведение материалов в экстремальных условиях. Например, в январе 2017 года исследователи из Гарвардского университета впервые экспериментально получили металлический водород, сжимая его в алмазной наковальне до давления порядка пяти миллионов атмосфер и охлаждая до температуры пяти кельвинов. А в феврале того же года группа ученых под руководством Артема Оганова заставила гелий образовать устойчивое соединение с натрием при давлении около 1,6 миллиона атмосфер. Подробнее про получение экстремальных условий в лаборатории можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Автор: Дмитрий Трунин