Новости науки 06.04.01. Жидкий кислород становится металлом

Одна из интересных задач физики конденсированного вещества -- это поведение материалов при высоких давлениях и структурные превращения вещества в таких экстремальных условиях. Обычно такие исследования ограничиваются твердыми фазами веществ; однако интересные явления происходят и в жидкостях. В частности, в работе [M.Bastea, A.C.Mitchell, W.J.Nellis, Phys.Rev.Lett. 86, 3108 (2001)] сообщается о том, что при больших давлениях и температурах жидкий молекулярный кислород переходит в металлическое состояние.

Поведение простых веществ, и в частности, кислорода, при сверхбольших давлениях (миллионы атмосфер) исследуется достаточно давно, по крайней мере, два десятка лет. Как оказалось, фазовая диаграмма кислорода (то есть, фазы, в которых существует кислород при том или ином давлении и температуре) очень богата и своеобразна (читайте, например, статью "Твердый кислород при сверхбольших давлениях: образование молекул O₄"). Однако эти исследования не затрагивали высокотемпературную область фазовой диаграммы, ту область, где кислород становится жидким.

В работе [M.Bastea, A.C.Mitchell, W.J.Nellis, Phys.Rev.Lett. 86, 3108 (2001)] было проведено детальное экспериментальное изучение этой области и впервые была четко зафиксирована металлическая фаза жидкого кислорода.

Эксперименты проводились при давлениях от 0.3 до 1.9 Мбар (при таких давлениях объем образца уменьшается в несколько раз!) и температурах вплоть до 7000 К. Такие условия достигались при адиабатическом сжатии капельки холодного жидкого кислорода, зажатой между двумя кристаллами сапфира (в так называемой сапфировой наковальне). Ударное воздействие на кристаллы сапфира порождало ударную волну, которая, многократно отражаясь и возвращаясь, сжимала образец. Так как воздействие было кратковременным, столь высокое давление существовало лишь в течение 100-200 наносекунд, однако, и этого было достаточно, чтобы исследовать электропроводность образца.

Зависимость удельного электросопротивления жидкого кислорода от давления; на вставке -- кривые силы тока и напряжения от времени

На Рисунке приведены результаты эксперимента. Основной график показывает удельное электросопротивление жидкого кислорода в зависимости от давления. Здесь светлые точки -- результаты описываемого эксперимента, а черные точки -- данные, приведенные в работе [D.Hamilton et al., J.Chem.Phys. 88, 5042 (1988)]. Авторы работы отмечают, во-первых, резкое падение сопротивления в районе 0.5 Мбар в миллион раз, а во-вторых, некое "плато" при давлениях более 1 Мбар (практически постоянное сопротивление). Здесь же видно, что данные из работы Д.Гамильтона и др. не согласуются в новыми измерениями. Наконец, на вставке, показаны типичные зависимости тока и напряжения от времени. Видно, что сила тока остается постоянной, в то время как напряжение сильно падает. Кроме того, заметно, что по прошествии 300 нс напряжение вновь начинает возрастать. Это означает, что при снятии давления металлическая фаза исчезает.

Авторы работы объясняют наблюденные результаты следующим образом. Как мы знаем, при обычных давлениях жидкий кислород -- диэлектрик. В терминах электронной структуры вещества это означает, что все электроны находятся в узких, полностью заполненных энергетически разрешенных зонах, лежащих существенно ниже по энергии уровня Ферми. С повышением давления электронная структура меняется: уровни уширяются, и при некотором давлении могут достичь и уровня Ферми. Однако тут не все так просто: из-за того, что мы имеем дело с жидкостью, а не с кристаллом, элекроны вблизи уровня Ферми сидят в определенных локализованных состояниях, а потому не могут участвовать в проводимости. Для того, чтобы попасть в континуум и стать делокализованными, необходимо преодолеть некий активационный потенциальный барьер.

Именно игра двух параметров -- высоты потенциального барьера (величины энергии активации) и температуры -- и определяет наблюдаемое поведение электросопротивления. Количество электронов проводимости пропорционально exp[- Ea/kT]. При небольших давлениях энергия активации велика, и потому лишь небольшая часть электронов перекидывается в континуум. В результате проводимость незначительна. Однако с ростом давления энергия активации падает, что и приводит к быстрому росту проводимости. Когда же энергия активации становится порядка температуры и ниже, то уже практически все электроны с энергией, близкой к энергии Ферми, находятся в континууме. Именно поэтому график сопротивления выходит на константу: проводимость насыщается.

Наконец, авторы обсуждают причины разногласия своих результатов с данными Д.Гамильтона и др. В той работе компрессия достигалась с помощью однократной ударной волны, что при том же давлении приводило к значительно более высоким температурам, порядка 6500 К вместо 3900 К в настоящей работе (адиабата Гюгонио против обычной адиабаты). При таких температурах вещество начинало диссоциировать и фактически превращаться в электролит. Именно поэтому происходило падение сопротивления в работе Д.Гамильтона и др. В настоящей же работе диссоциация была пренебрежимо мала, и проводимость была целиком за счет делокализованных электронов. Именно поэтому авторы работы утверждают, что ими впервые четко зафиксирован переход диэлектрик-металл в жидком кислороде.

Интересно, что эти результаты могут найти применение в исследованиях внутренней структуры планет-газовых гигантов. Условия, полученные в лаборатории, близки к существующим в центре таких планет. Поэтому наблюдение металлической фазы жидкого кислорода в лаборатории, возможно, поможет прояснить вопрос происхождения магнитного поля этих планет.

перейти к началу страницы