Общая характеристика подхода
Современная экспериментальная физика всё чаще сталкивается с
необходимостью изучения веществ и процессов в условиях, близких к
астрофизическим или планетологическим. Для этого создаются лабораторные
установки, способные воспроизводить экстремальные давления, температуры,
магнитные поля и одновременно обеспечивать точную диагностику на основе
синхротронного излучения. Такой подход носит название
комбинированных экстремальных условий. Его суть состоит
в одновременном воздействии на исследуемый образец несколькими факторами
— например, высоким давлением и температурой, либо сильным магнитным
полем и криогенными условиями.
Роль синхротронного
излучения
Синхротронное излучение обладает уникальными характеристиками:
высокой интенсивностью, широким спектральным диапазоном от ИК до
жесткого рентгена, а также высокой когерентностью. Это позволяет
проводить диагностику вещества в условиях, когда традиционные методы
становятся невозможными из-за непрозрачности среды или быстроты
протекающих процессов.
В условиях комбинированных воздействий синхротрон используется:
- для рентгеновской дифракции при определении фазовых
переходов;
- для рентгеновской абсорбционной спектроскопии
(XANES, EXAFS) с целью анализа локальной электронной и атомной
структуры;
- для рентгеновской томографии, позволяющей наблюдать
внутренние деформации и структурные изменения в режиме in situ;
- для рассеяния малоуглового и широкоугольного
диапазона, применяемого к наноструктурным системам.
Высокие давления и
температуры
Наиболее распространённый комплексный эксперимент связан с
использованием алмазных наковален в сочетании с
нагревом — лазерным или электрическим. В таких условиях удаётся достичь
давлений в сотни гигапаскалей и температур в тысячи кельвинов, что
соответствует условиям в недрах планет.
- Рентгеновская дифракция под давлением и
температурой позволяет фиксировать переходы между
кристаллическими фазами, строить диаграммы состояния и определять
уравнения состояния вещества.
- Спектроскопия XANES и EXAFS применяется для анализа
локальных перестроек электронной структуры при изменении давления и
температуры.
- Томография in situ выявляет зарождение расплава,
диффузию компонентов и образование новых фаз.
Высокие
магнитные поля и криогенные температуры
Сильные магнитные поля (до сотен тесла) создаются в импульсных
режимах или при помощи специальных сверхпроводящих магнитов. В сочетании
с криогенными условиями (ниже 1 К) такие эксперименты позволяют изучать
фундаментальные квантовые эффекты:
- поведение электронных корреляций в сверхпроводниках и магнитных
материалах;
- переходы металл–изолятор и особенности фазовой диаграммы
сильнокоррелированных систем;
- структуру вихревых решёток в сверхпроводниках с помощью малоуглового
рассеяния.
Синхротрон в данном случае даёт возможность регистрировать
чрезвычайно слабые сигналы благодаря высокой яркости источника и точной
настройке энергии.
Ультрабыстрые
процессы под экстремальными условиями
Комбинирование экстремальных факторов с использованием фемтосекундных
импульсов синхротронного излучения позволяет наблюдать динамику фазовых
переходов и релаксационных процессов в режиме реального времени. Такие
эксперименты особенно важны для:
- изучения плавления и рекристаллизации под давлением;
- динамики электронных возбуждений в высокотемпературных
сверхпроводниках;
- наблюдения за ультрабыстрым изменением магнитного порядка в сильных
полях.
Технические аспекты
реализации
Работа в комбинированных экстремальных условиях требует сложных
инженерных решений:
- применение алмазных наковален с прозрачными вставками для прохода
рентгеновского пучка;
- использование микрофокусных пучков синхротрона, позволяющих работать
с образцами микронного размера;
- разработка криостатов и магнитных систем, совместимых с геометрией
рентгеновских экспериментов;
- синхронизация импульсных магнитных полей, лазерного нагрева и
рентгеновской диагностики.
Значение для науки
Исследования в комбинированных экстремальных условиях позволяют:
- моделировать процессы, происходящие в недрах Земли и планетных
тел;
- открывать новые высокоплотные фазы материалов, обладающие
уникальными свойствами;
- изучать природу сильных электронных корреляций и квантовых
переходов;
- разрабатывать материалы с особыми эксплуатационными характеристиками
для энергетики и микроэлектроники.