Исследования вещества при экстремальных термодинамических условиях —
одно из ключевых направлений современной физики конденсированного
состояния и материаловедения. При давлениях, достигающих сотен
гигапаскалей, структуры атомных решёток, электронные спектры и магнитные
свойства вещества изменяются радикально. Для изучения этих процессов
необходимы методы, обеспечивающие высокую проникающую способность,
высокую интенсивность и возможность получения информации о структуре и
динамике вещества в реальном времени. Синхротронное излучение отвечает
этим требованиям, открывая доступ к уникальному классу экспериментов при
сверхвысоких давлениях.
Камеры высокого
давления и их использование
Основным инструментом для создания давления в лабораторных условиях
является алмазная наковальня (DAC, Diamond Anvil Cell). Она позволяет
достигать давления в десятки и сотни гигапаскалей, достаточные для
имитации условий земного ядра и даже внутренних областей газовых
гигантов.
- Алмазные наковальни обладают прозрачностью в
широком спектральном диапазоне, включая рентгеновские лучи, что делает
их совместимыми с синхротронным излучением.
- Методы сжатия включают как статическое сжатие
(DAC), так и динамическое (ударные волны, лазерное нагревание,
пульсирующие магнитные поля).
- Совмещение давления и температуры позволяет
моделировать реальные геофизические и астрофизические условия. Лазерный
подогрев образца внутри DAC в сочетании с синхротронной дифракцией
рентгеновских лучей позволяет наблюдать фазовые переходы при
температурах в тысячи кельвинов.
Синхротронная
рентгеновская дифракция при высоких давлениях
Одним из важнейших методов исследования является
рентгеновская дифракция. Использование
монохроматизированного и коллимированного пучка синхротронного излучения
позволяет получать дифракционные картины от образцов размером в
несколько микрон.
- Изучение фазовых переходов при экстремальных
давлениях, например переход графита в алмаз или формирование
сверхплотных металлических фаз.
- Определение уравнений состояния твёрдых тел:
зависимость объёма кристаллической решётки от давления и
температуры.
- Выявление аномалий в параметрах решётки, связанных
с электронными перестройками, спин-переходами и изменениями валентного
состояния атомов.
Особенностью экспериментов является необходимость высокой
пространственной и временной разрешающей способности. Современные
детекторы позволяют регистрировать дифракционные картины за
миллисекунды, что делает возможным исследования в условиях динамического
сжатия.
Спектроскопические
методы под высоким давлением
Помимо дифракции, широкое применение находят методы спектроскопии на
основе синхротронного излучения:
- Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XANES,
EXAFS) позволяет изучать локальное окружение атомов, определять
валентное состояние и электронную структуру вещества.
- Рентгеновская эмиссионная спектроскопия даёт
информацию о магнитных свойствах и спиновых состояниях переходных
металлов при экстремальных давлениях.
- Нано- и микроскопическая спектроскопия позволяет
пространственно разрешать неоднородности внутри образца, возникающие
из-за градиентов давления.
Исследования динамических
процессов
Использование синхротронного излучения в сочетании с импульсными
методами позволяет наблюдать эволюцию вещества в реальном времени. Так,
при ударно-волновом сжатии образцов можно отслеживать:
- зарождение новых фаз;
- кинетику переходов между металлическими и изолирующими
состояниями;
- распад метастабильных структур.
Особое значение имеют pump-probe эксперименты, где
короткие лазерные импульсы создают возмущение в образце, а синхротронное
излучение используется для диагностики с временным разрешением в
наносекундном и даже пикосекундном диапазоне.
Геофизические и
астрофизические приложения
С помощью синхротронных экспериментов при высоких давлениях
изучаются:
- структура и свойства железа при давлениях и
температурах земного ядра, что позволяет уточнять модели сейсмической
анизотропии;
- состояние лёгких элементов (водород, гелий,
углерод) в условиях внутренних слоёв планет-гигантов;
- образование новых сверхтвёрдых и сверхпроводящих фаз, обладающих
уникальными свойствами при экстремальных условиях.
Технологические и
прикладные аспекты
Синхротронное излучение при экспериментах высокого давления
используется также для поиска и изучения новых материалов:
- сверхтвёрдых соединений, обладающих механическими свойствами,
превосходящими алмаз;
- экзотических металлов и сплавов с необычными электронными
характеристиками;
- высокотемпературных сверхпроводников, формирующихся только при
экстремальных давлениях.
Технические вызовы и
перспективы
Эксперименты при высоких давлениях сопряжены с рядом трудностей:
- необходимость в высокостабильных и узкофокусированных пучках
синхротронного излучения;
- требования к синхронизации измерений при динамическом сжатии;
- развитие детекторов с высокой чувствительностью и скоростью
отклика.
Перспективы связаны с применением источников четвёртого поколения
(diffraction-limited storage rings) и рентгеновских лазеров на свободных
электронах, которые обеспечивают ещё более высокую яркость и
когерентность. Это позволит исследовать динамику фазовых переходов в
режиме «атомного кино», наблюдая движение атомов и электронов в реальном
времени под воздействием экстремальных условий.