Атомная структура золота изменилась при давлении в 10 миллионов атмосфер

Иллюстрация художника: золото, сжатое до сверхвысокого давления лазерными импульсами в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций. Рентгеновские лучи рассеиваются от образца, создавая дифракционные картины, которые показывают, как его атомная структура меняется при экстремальном сжатии. Автор: Джейкоб Лонг/LLNL

Недра планет-гигантов могут достигать давлений, более чем в миллион раз превышающих давление в атмосфере Земли. В результате такого интенсивного давления материалы могут приобретать неожиданные структуры и свойства. Понимание материи в этом режиме требует экспериментов, которые расширяют границы физики в лабораторных условиях.

В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) и их коллабораторы провели такие эксперименты с золотом, достигнув самого высокого давления, при котором когда-либо проводились структурные измерения для этого материала. Результаты, показывающие изменение структуры золота при давлении, в 10 миллионов раз превышающем земное атмосферное, имеют важное значение для планетарного моделирования и науки о термоядерном синтезе.

«Эти эксперименты раскрывают атомные перестройки, которые происходят при одних из самых экстремальных давлений, достижимых в лабораторных экспериментах», — сказала учёный LLNL и автор работы Эми Коулман.

Золото является распространённым эталонным материалом для высокого давления. Его часто используют для калибровки статических измерений давления, поскольку оно химически стабильно и легко обнаруживается с помощью рентгеновских лучей. Его поведение в условиях низкого давления относительно хорошо изучено, но исторически существовали некоторые расхождения, когда дело доходило до экстремальных давлений.

«Точное знание того, как ведёт себя золото, гарантирует, что любой другой эксперимент, использующий его в качестве калибровочного материала — от изучения ядер планет до проектирования новых материалов, — основывается на надёжном и проверенном понимании поведения золота», — пояснила Коулман.

Однако достижение таких давлений невероятно сложно. Чтобы получить свои измерения, авторы создавали специальные лазерные импульсы в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) и на лазерной системе OMEGA EP в Университете Рочестера. Эти импульсы позволили им достичь сверхвысоких давлений при более низких температурах, где золото всё ещё остаётся в твёрдом состоянии.

Процесс также требовал сверхточной синхронизации: рентгеновские дифракционные снимки атомного масштаба делались за миллиардную долю секунды.

«Только недавно такие объекты, как NIF, получили возможность одновременно создавать эти давления и делать снимок того, что происходит с атомами внутри образца, — отметила Коулман. — Это первый определённый взгляд на кристаллическую структуру золота при таком экстремальном сжатии, и он наконец разрешает давние разногласия между теорией и экспериментом».

В нормальных условиях атомы золота располагаются в виде так называемой гранецентрированной кубической структуры. В этой решётке атомы находятся в каждом углу и в центре каждой грани куба. Учёные обнаружили, что эта структура остаётся стабильной при гораздо более высоких давлениях, чем предсказывали некоторые модели. Это была единственная фаза золота вплоть до давления, примерно в два раза превышающего давление в ядре Земли.

За этим пределом золото начало меняться. Некоторые атомы золота перестроились в объёмно-центрированную кубическую структуру, где атомы расположены в каждом углу куба, а один атом находится точно в центре. Однако часть исходной гранецентрированной структуры также сохранилась, что свидетельствует о сосуществовании двух состояний.

«Эти эксперименты расширяют структурные измерения золота в область терапаскалей и подчёркивают необходимость температурной диагностики для уточнения фазовых границ, — сказала Коулман. — Они обеспечивают более прочную основу для использования золота в качестве высокотемпературного стандарта и для исследования вещества в экстремальных условиях».

Больше информации: Эми Л. Коулман и др., Фазовый переход в объёмно-центрированную кубическую структуру в золоте при давлениях в терапаскали, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/yzzv-2w81

Источник: Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса