Группа ученых НИТУ «МИСиС» теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением. Полученные результаты позволят создать сверхпроводники нового поколения и понять, как устроены звезды. Большая статья о проведенном исследовании была опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов мира — Nature.

Научная группа лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Игоря Абрикосова (Линчёпингский университет, Швеция) с помощью квантовомеханического моделирования, проведенного с использованием вычислительных мощностей суперкомпьютера университета, теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением в 7,7 миллионов атмосфер, проведенного учеными Байройтского университета (Германия).

Целью эксперимента немецких коллег было изучение изменений кристаллической структуры вещества под воздействием сверхвысокого давления. В качестве опытного материала был выбран металлический осмий, обладающий уникальными свойствами: наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза.

В ходе эксперимента был поставлен мировой научный рекорд — экстремальное давление при статическом сжатии достигло 7,7 миллионов атмосфер. Предыдущее максимально достижимое давление составляло около 4 миллиона атмосфер (400 ГПа).

В проекте было задействовано самое современное научное оборудование: установка для создания сверхвысоких давлений, разработанной в Байройтском университете (Германия), синхротроны APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия), а также суперкомпьютеры из Швеции и Франции.

Рекордное значение давления было достигнуто за счёт применение микрополусфер из наноалмаза, которые являются дополнительной ступенью по сравнению с традиционной методикой алмазных наковален (фото). Это усовершенствование позволяет существенно расширить диапазон давлений в экспериментах по статическому сжатию и достигнуть давления выше 750 ГПа (вдвое выше давления в центре Земли). В результате проведенного исследования была выявлена беспрецедентная структурная стабильность осмия — при огромных давлениях около 770 ГПа он обладает такой же структурой, что и при атмосферном давлении. В то же время, очень точные измерения методом рентгеновской дифракции показали, что в поведении параметра решётки под давлением проявляются особенности, не описанные в теории. Теоретическое обоснование и описание этих особенностей и стало целью исследования научной группы НИТУ «МИСиС». С помощью современных квантовомеханических расчётов ученые доказали, что при сверхвысоком давлении в осмии начинается взаимодействие между внутренними электронами, тогда как обычно свойства материалов под давлением меняются из-за изменения валентных (внешних) электронов.

Можно с уверенностью утверждать, что возможность влиять на внутренние электроны даже в таком несжимаемом металле, как осмий, с использованием статического давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.

«Для теоретического моделирования результатов этого эксперимента был использован суперкомпьютер лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», который входит в топ-50 суперкомпьютеров стран СНГ, — пояснила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Пиковая производительность кластера составляет 33 терафлопс или 33 триллиона операций в секунду, что обеспечивает значительное ускорение обработки информации, а соответственно ускорение разработки и вывода на рынок новых материалов с заданными свойствами».

Исследования поведения различных материалов при экстремальных сжатиях очень важны как для фундаментальной физики, так и для промышленности. Понимание физики и химии веществ под высоким давлением помогает моделировать процессы, происходящие внутри гигантских планет и звезд, а также синтезировать материалы, применяющиеся в экстремальных условиях.

«В данной работе мы продемонстрировали, что можно достигать невообразимо высоких давлений и при этом полностью контролировать состояние исследуемого материала, улавливая в эксперименте малейшие его изменения, — отметил руководитель научной группы НИТУ «МИСиС» Игорь Абрикосов. — Мы показали возможности современной теории при помощи компьютерного моделирования разгадывать сложнейшие загадки, которые возникают в подобных уникальных экспериментах. Разработанные экспериментальные и теоретические методики, использованные в данной работе, будут использованы нами в новых исследованиях. Они выведут нас на качественно новое понимание поведения материалов и позволят реализовать важнейшую задачу — перейти от традиционного метода проб и ошибок к научно-обоснованной разработке новых материалов, сократив сроки этих разработок с сегодняшних 10–12 лет до 5–6 лет в ближайшем будущем, а в перспективе — еще больше».