Оксид никеля «научился» проводить ток при давлении, характерном для земного ядра

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, 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 сектором 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.