Оксид никеля «научился» проводить ток при давлении, характерном для земного ядра
Потемнение части образца NiO при переходе в металлическое состояние при высоких давлениях.
© Александр Гаврилюк
Российские ученые впервые экспериментально выявили структурные изменения, которые происходят в монооксиде никеля при давлении, в 2,4 миллиона раз превышающем атмосферное. В таком состоянии он сжимается больше чем на треть и приобретает способность проводить электрический ток, что не характерно для этого соединения в обычных условиях. Поскольку никель и его оксид в большом количестве находятся в земном ядре, где давление сопоставимо с тем, которое исследователи воссоздали в лаборатории, полученные результаты помогут понять процессы, происходящие в сердце нашей планеты. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Communications Physics.
Монооксид никеля (NiO) — необычное с точки зрения физики соединение. При комнатной температуре и атмосферном давлении оно ведет себя как изолятор, то есть вещество, не проводящее электрический ток. Это объясняется тем, что электроны вокруг атомов никеля с большой силой отталкиваются друг от друга. Такое взаимодействие не позволяет им перемещаться на дальние расстояния и тем самым обеспечивать протекание тока. Однако еще в конце ХХ века английский физик Невилл Мотт предсказал, что монооксид никеля может при высоком давлении переходить в металлическое состояние и все-таки проводить электрический ток. За разработку этой теории в 1977 году Мотту была присуждена Нобелевская премия по физике.
Ученые долгое время безрезультатно пытались экспериментально доказать описанный Моттом переход, и лишь спустя почти 40 лет — в 2012 году — физики из Института ядерных исследований РАН (Москва) с российскими и зарубежными коллегами обнаружили его при давлении 240 ГПа, что примерно в 2,4 миллиона раз превышает атмосферное. При этом кристалл монооксида никеля из прозрачного на просвет становился черным, а сопротивление образца, то есть его способность препятствовать протеканию тока, упало на три порядка. Это указало на то, что соединение приобрело металлические свойства.
В новой работе исследователи подробно описали структурные изменения, которые происходят в оксиде никеля при переходе от состояния изолятора к состоянию металла. Для этого авторы сконструировали экспериментальную установку, которая представляла собой миниатюрную камеру — площадью менее квадратного сантиметра, — с двух сторон от которой располагались алмазные наковальни. Их поверхности сжимали образец, помещенный в камеру со специальной средой, до сверхвысоких давлений в несколько миллионов атмосфер. Специальные датчики, подведенные к камере, позволили ученым наблюдать за изменением структуры оксида никеля и измерять его сопротивление.
Эксперименты показали, что при сжатии произошло заметное изменение структуры образца: его объем сначала плавно уменьшился примерно на 33% при росте давления от атмосферного до 225 ГПа, а затем резко сократился еще на 2,7% в момент перехода. Поскольку давление в данном случае оказалось очень близко тому, которое ученые наблюдали в предыдущей работе, они сделали вывод, что структурный переход взаимосвязан с переходом из состояния изолятора к состоянию металла и позволяет объяснить механизмы последнего.
«Полученные нами результаты очень важны, во-первых, для понимания фундаментальных свойств такого рода изоляторов, а, во-вторых, для геофизики и исследований строения Земли. По современным представлениям, никель наряду с железом входит в состав земного ядра в количестве примерно 9% по отношению к железу. Значит, при создании модели строения внутренних слоев Земли и ее ядра необходимо учитывать свойства никеля и его монооксида при высоких давлениях. Мы продолжаем исследования других свойств NiO, а именно оптических, магнитных, колебательных и электронных, особенно непосредственно перед переходом и сразу после него», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Гаврилюк, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯИ РАН и заведующий сектора физики высоких давлений ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.
В исследовании также приняли участие ученые из Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН (Москва), Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) и их коллеги из Китая, США и Германии.