Физики предложили доступную альтернативу синхротронным исследованиям
Принципиальная схема ячейки с алмазными наковальнями и фотография ячейки с помещенным внутрь образцом. Источник: Анатолий Снигирев
Исследователи МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» (МНИЦ РО) БФУ имени Иммануила Канта вместе с коллегами изучили структуру алмазных наковален — компонентов ячеек для создания высоких давлений. Обычно такие работы проводят на синхротроне, однако авторы смогли воспроизвести их на более доступной лабораторной установке. Хотя эксперимент занял несколько больше времени, разрешение оказалось сопоставимым. С результатами можно ознакомиться на страницах журнала Review of Scientific Instruments. Исследования поддержаны программой стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» БФУ имени И. Канта.
Высокие давления представляют особый интерес для физиков. С одной стороны, именно в таких условиях существует вещество внутри разнообразных космических объектов, а потому направление позволит узнать больше о фундаментальных процессах во Вселенной. С другой стороны, с помощью высоких давлений можно создать новые материалы с интересными свойствами, например, необычной структурой и обладающие превосходными механическими характеристиками.
В физике высоких давлений применяются разнообразные установки: от гигантских многотонных прессов до крошечных камер. В последних образец зажимается между двумя наковальнями из алмазов, кристаллическая структура которых должна быть очень близка к идеальной. С помощью таких ячеек удается достичь давлений, в 10 миллионов раз превышающих атмосферное, и колоссальную нагрузку испытывает не только образец, но и наковальни. Наличие дефектов не только сокращает срок службы алмазов, но и может ухудшить данные эксперимента; именно поэтому так важно отслеживать их качество.
Топограмма всей наковальни (слева) и ее кончика (справа), которая является областью контакта с образцом. На левом изображении наблюдаются полосы роста и дислокации, а на правом — граница секторов роста, проходящая сквозь кончик наковальни. Источник: Barannikov et al. / Review of Scientific Instruments, 2022
«Обычно наковальни исследуют на синхротронах методом рентгеновской топографии: с его помощью мы можем не только отобрать бездефектные кристаллы, но и понять, какое давление выдержит наковальня с дефектом. Российские физики ведут активные исследования в области высоких давлений, что обеспечивает нашей стране одну из лидирующих позиций в мире. Раньше мы проводили работы на зарубежных синхротронах, однако теперь есть определенные ограничения. Попасть на установки и раньше было довольно трудно: ждать решения по заявке можно было несколько месяцев, и вполне ожидаем отказ, если “экспериментальное время” было отдано на более приоритетные исследования», — рассказывает Александр Баранников, аспирант МНИЦ РО.
Сотрудники МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта совместно с коллегами из Института кристаллографии имени А. В. Шубникова (ИК РАН) и Европейского Центра Синхротронного Излучения (ESRF) нашли выход из сложной ситуации и решили провести эксперимент на более простой лабораторной установке «SynchrotronLike». Это уникальный научно-образовательный технологический комплекс для тестирования рентгеновской оптики и проведения синхротронных исследований. Система оснащена источником рентгеновского излучения высокой яркости с жидким галий-индиевым анодом, а также рентгеновской камерой с высоким разрешением.
С помощью метода рентгеновской топографии авторы смогли получить изображения разных дефектов алмазных наковален — полос роста (примесные полосы) и дислокаций (когда в некоторых частях кристалла атомов больше или меньше, в результате получаются области сгущения или разрежения). Разрешение снимков оказалось сопоставимым с таковым для синхротронов и составило 1,5–5 микрометров.
«Наши результаты показывают возможность проводить как минимум подготовительные синхротронные работы на лабораторном оборудовании. С учетом ограничений это очень важно и дает основу для успешных исследований на отечественных установках: сейчас нам доступен Курчатовский источник синхротронного излучения, а в будущем — и Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). На последнем как раз планируется оснащение оборудованием, обеспечивающим многостороннее сжатие объемных образцов», — подводит итог Анатолий Снигирев, кандидат физико-математических наук, научный руководитель направления «Когерентная оптика», директор МНИЦ РО.