Фазовые переходы, индуцированные давлением, происходят, когда приложение высокого давления перестраивает атомную или электронную структуру материала, приводя к новым состояниям вещества. Это может превращать изоляторы в металлы, изменять магнитное упорядочение или даже вызывать сверхпроводимость при более высоких температурах, чем при атмосферном давлении. Это явление является центральным в физике конденсированного состояния, показывая, как один и тот же химический состав может обладать радикально различными свойствами в зависимости от расстояния между атомами в решетке и электронных взаимодействий.
История
Систематическое изучение переходов, индуцированных давлением, восходит к началу XX века, когда Перси Бриджмен стал пионером методов высокого давления и получил Нобелевскую премию в 1946 году. В последующие десятилетия последовало открытие сверхпроводимости, индуцированной давлением, в различных элементах и соединениях.
Как это работает
Давление сжимает кристаллическую решетку, уменьшая межатомные расстояния. Это увеличивает перекрытие орбиталей и изменяет баланс между кинетической энергией и кулоновскими взаимодействиями. Электроны, которые ранее были локализованы, могут стать делокализованными, или магнитные моменты могут выстраиваться иначе. В некоторых случаях сжатая решетка усиливает связь между электронами и колебаниями решетки (фононами), что является механизмом обычной сверхпроводимости.
Где применяется
Синтез под высоким давлением используется для создания новых материалов, таких как сверхтвердая керамика, и для изучения недр планет, где экстремальные давления определяют состояние вещества. Это также направляет поиски сверхпроводников при комнатной температуре.
Любопытный факт
Водород, обычно изолирующий газ, как предсказывают, станет металлическим сверхпроводником при давлениях выше 400 гигапаскалей — такое состояние может существовать в ядрах газовых гигантов, таких как Юпитер.
Тонкая плёнка никелата неодима толщиной в пятнадцать нанометров лежит на подложке из галлата неодима. При температуре ниже ста восьмидесяти кельвинов она ведёт себя как изолятор: электроны заперты в своих атомных ячейках и не могут свободно двигаться.
Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.
В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.
Стопка игральных карт лежит неподвижно. Можно поддеть верхнюю карту пальцем и сдвинуть её — это грубое вмешательство. А можно дунуть так, что вся стопка на мгновение изменит форму, но карты не разлетятся. Примерно так свет в новом эксперименте перестраивает кристалл селенида олова (SnSe).
Обычно, чтобы изменить структуру твёрдого тела, его нагревают или пропускают через него ток.
В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара то появляются, то исчезают — похожая борьба идёт в двумерных материалах. Здесь электроны одновременно и создают магнетизм, и пытаются его погасить.
Слоистый кристалл La₃Ni₂O₇ под давлением ведёт себя как оркестр, где дирижёр меняет громкость разных групп инструментов. При сжатии растёт перескок электронов между слоями — казалось бы, это должно усиливать сверхпроводимость — состояние, при котором электрический ток течёт без сопротивления.
Многие материалы ведут себя как капризный лёд: при одном давлении плавятся, при другом — становятся твёрже. Сверхпроводники семейства купратов — не исключение. Их способность проводить ток без потерь зависит от того, насколько сильно сжата кристаллическая решётка. В новой работе физики проследили эту зависимость для соединения Bi-2223.
Кристалл уран-мышьяк (UAs2) под давлением ведёт себя как дом с двумя комнатами. В одной комнате электроны сидят на месте, в другой — свободно гуляют. При обычных условиях это классический «решёточный Кондо»: тяжёлые, почти неподвижные электроны на орбиталях 5f5/2 окружены морем быстрых электронов проводимости. Возникает плоская зона — словно полка, где скорости электронов почти нет.
Слоёный пирог, в котором каждый корж проводит электричество по-своему — так устроен кристалл La3Ni2O7, соединение никеля, лантана и кислорода. Ток вдоль слоёв идёт иначе, чем поперёк. Исследователи измерили сопротивление этого материала с высокой точностью, сжимая его алмазными наковальнями до давлений в десятки тысяч атмосфер.
Некоторые кристаллы ведут себя как переключатель: чуть изменили температуру или давление — и они из проводника превращаются в изолятор. Это называется переходом металл-изолятор (изменением способности проводить ток).
Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же.
Лист резины сжимают с двух сторон. На первый взгляд — обычная деформация. Но внутри, в глубине материала, пробуждается скрытый порядок. Это не просто складки на поверхности. Это рождение особых зон, где вибрации оказываются запертыми, словно в ловушке.
Раньше считалось, что такие эффекты требуют хитроумных решёток и периодических структур.
Сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток без диссипативных потерь, — традиционно требуют экстремального охлаждения. Однако соединение Hg1223, состоящее из ртути, бария, кальция, меди и кислорода, бросает вызов этой закономерности: его электрическое сопротивление обращается в нуль уже при –139 °C.
Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.
Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.
Если каждую секунду проверять, где находится электрон, его квантовые свойства меняются. Это похоже на ребёнка, который играет в прятки, но его постоянно окликают по имени — он замирает и перестаёт бегать. В мире частиц такая «окликалка» — это измерение. Оно мешает частицам свободно образовывать общее квантовое состояние, или запутанность.
В кристаллической решётке электроны иногда ведут себя подобно толпе на стадионе, порождающей «волну»: области с повышенной плотностью заряда чередуются с почти пустыми зонами. Эта волна, известная как волна зарядовой плотности, блокирует свободное движение носителей — при обычных условиях материал не является сверхпроводником.
Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из фундаментальных частиц — кварков, глюонов, лептонов, пребывавших в состоянии кварк-глюонной плазмы. По мере расширения и остывания этот суп испытывал фазовый переход, подобный кристаллизации: кварки объединялись в протоны и нейтроны.
Сплав палладия и теллура, в который добавили немного золота, ведёт себя как провод, теряющий сопротивление при охлаждении. При обычном давлении у трёх образцов с разным содержанием золота температура перехода в сверхпроводящее состояние составила 2.7, 4.1 и 4.6 кельвина — это холоднее, чем в морозильной камере, примерно как в открытом космосе.
Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается.
Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.
Кристалл меняет свою внутреннюю геометрию, как каркас здания, который слегка перекашивается при землетрясении. В сплаве марганца и галлия (Mn₃Ga) при температуре около 485 Кельвинов (примерно 212°C) происходит магнитный переход: атомы выстраиваются в антиферромагнитный порядок, где соседние магнитные моменты направлены противоположно.
Кусочек теллурида серебра-сурьмы похож на губку: он легко впитывает тепло и превращает его в электричество. Такие материалы называют термоэлектриками, и они уже работают в космических зондах и автомобильных холодильниках. Но если сжать эту губку, она начинает вести себя как сверхпроводник — ток течёт без малейшего сопротивления.
Внутри живой клетки плавают капли, которые не смешиваются с окружающей жидкостью, как масло в воде. Эти капли — не просто пассивные скопления, они активно давят на мембраны и заставляют их изгибаться. Учёные наблюдали этот процесс в живых растительных клетках, воспроизвели его в пробирке и рассчитали на компьютере.
Тихая труба с нагретой сеткой внутри. Напряжение на сетке резко поднимают — и труба вдруг начинает гудеть, сама себя поддерживая. Это не поломка, а переход в другое устойчивое состояние, как шарик, перекатившийся через горку в соседнюю ямку.
Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без потерь. Обычные провода греются, и часть энергии уходит в тепло, а сверхпроводник пропускает ток без сопротивления. Но до сих пор такое состояние удавалось получить лишь при очень низких температурах или под огромным давлением, что мешает применять его в быту.
Гибкую полимерную нить, замкнутую в кольцо, поместили в микроскопический объём с жидкостью. Такая система способна либо поглощать воду и набухать, подобно губке, либо выталкивать влагу и сжиматься в плотный клубок. Переключение между этими состояниями определяется наличием и типом узла на нити.
Кристалл оксида осмия OsO₂ напоминает упрямого подростка: при обычных условиях он ведёт себя как обычный металл, но стоит надавить посильнее — и характер меняется.
Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом.
Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.
Частица блуждает в среде, где расставлены препятствия. Иногда она толкает их перед собой, как снегоуборочная машина, и думали, что именно это толкание в конце концов останавливает движение. Но в трёхмерном пространстве этот механизм не срабатывает.
Превращение лёгких газов, таких как водород и азот, в металлическое состояние — давняя мечта физиков, уходящая корнями в предсказания о поведении вещества при экстремальных давлениях.
Кристалл из стронция, йода, кислорода и водорода — с виду обычный белый порошок. Но если сжать его с силой в сотни тысяч атмосфер, внутри начинается перестройка. Атомы йода, которые обычно держатся на расстоянии, вдруг сближаются и образуют новые связи.
Слоистый материал (SnS)1.15(TaS2) напоминает стопку бумаги, где листы проводят ток, а между ними — прослойки, которые мешают слоям слипаться. При обычном давлении этот материал проводит ток без сопротивления, то есть является сверхпроводником.
Обычный провод греется, когда по нему идёт ток. Сверхпроводник — нет. Но почти все известные сверхпроводники работают либо при очень низкой температуре, либо под огромным давлением, как в недрах планет. Учёные давно ищут материал, который обходится без этих крайностей.
В новой работе взяли соединение лития, меди и водорода — Li3CuH4.
Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В крошечном магнитном кристалле тоже бывают волны — только колеблется не вода, а направление намагниченности. Такие волны называют спиновыми. Они бегут по кристаллу, как рябь по поверхности, и могут переносить информацию.
Физики взяли пластинку из иттриевого феррита-граната — это прозрачный оранжевый кристалл, который любят за чистоту магнитных колебаний.
Кристалл Ca2RuO4 похож на стопку тонких листов. Внутри каждого листа спины электронов выстроены в строгом порядке — как ряды солдат на плацу. Между листами связь слабая, и её знак можно перевернуть, слегка потянув кристалл в стороны.
Когда кристалл растягивают, этот слабый межслойный контакт меняет знак, и весь магнитный узор перестраивается.
В ювелирной мастерской золото не смешивают с рутением: одно мягкое и блестящее, другой тугоплавкий и хрупкий. Но в нанометровых масштабах эти металлы сливаются в единый сплав, который при нагреве начинает разделяться, как масло и вода в остывающем бульоне. Именно такое поведение засняли исследователи, изучая частицы размером меньше сотой доли толщины волоса.
Крошечная частица оксида ванадия ведёт себя как окно с регулируемой прозрачностью: в одном состоянии она пропускает инфракрасный свет, а в другом — начинает его поглощать. Переключение происходит не скачком, а плавно, как поворот ручки диммера, меняющего яркость лампы.
В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.
Кристалл сверхпроводника сжимают в маленькой ячейке — как будто зажимают его в тиски, но с водой, чтобы давление распределялось равномерно. Давление до 1,08 ГПа (это примерно в сто раз больше, чем в автомобильной шине) почти не меняет температуру, при которой материал теряет сопротивление.
