Фізики зі США, Великобританії та Китаю вперше побачили фазовий перехід азоту в стан рідкого металу в прямому експерименті. Для цього дослідники стиснули зразок на алмазній ковадлі до тиску близько 1,2 мільйона атмосфер і нагріли його лазером до температури близько трьох тисяч кельвінів, підтримуючи тиск постійним, а потім виміряли спектри поглинання і відбиття речовини. Стаття опублікована в.
В даний час атмосфера Землі приблизно на 75 відсотків складається з азоту (якщо порівнювати масу газів), хоча так було не завжди. Спочатку атмосфера складалася з водню і гелію, захоплених з міжпланетного простору, а потім почала насичуватися аміаком, вуглекислим газом і водяним пором в результаті вулканічної активності. З часом легкі гази зникли в космос, а аміак окислився під дією кисню, що виробляється в результаті фотосинтезу. Якщо прослідкувати цей ланцюжок у зворотній бік, можна побачити, що більша частина атмосферного азоту в минулому знаходилася всередині Землі, де умови суттєво відрізняються від поверхні: тиск там може доходити до 3,5 мільйонів атмосфер, а температура - до шести тисяч градусів Кельвіна.
У таких екстремальних умовах речовина поводиться незвично - наприклад, молекули збираються в кристалічну структуру, а багато «неможливих» сполук стають стабільними. Багато в чому поведінка азоту при високих тисках і температурах нагадує поведінку іншого відомого двохатомного газу - водню. Кожна з цих речовин за певних умов перетворюється на метал, а його молекули розпадаються на окремі атоми; при цьому криві в просторі параметрів, що розділяють різні фази, виглядають дуже схоже (наприклад, при високих температурах переходи безперервні). Тим не менш, хімічні властивості азоту і водню відрізняються - завдяки тому, що атоми азоту можуть утворити два або три ковалентні зв'язки з іншими атомами, азот може формувати складні поліатомні та полімерні сполуки. Через це при високих тисках існує велика кількість різних фазових станів азоту - наприклад, до їх числа відносять аморфну рідину, кубічну (cubic-gauche, cg-N) і «шару» (layered polymeric, LP-N) структури. На жаль, більшість досліджень азоту в екстремальних умовах - суто теоретичні, тобто покладаються на численні розрахунки в рамках теорії функціоналу щільності (DFT). Зокрема, через обмеження на установки, що отримують надвисокі тиски, до останнього часу експериментатори не могли перевірити область тисків більше одного мільйона атмосфер і температур від 2500 до 6000 кельвінів - область, що відповідає умовам в центрі Землі.
Група дослідників під керівництвом Олександра Гончарова заповнила цю прогалину, стискаючи азотний зразок на алмазній наковальні до тисків 1,2-1,6 мільйона атмосфер (120-160 гігапаскалей) і нагріваючи її за допомогою інфрачервоного лазера до температури близько трьох тисяч кельвінів. Для нагріву вчені світили на зразок лазерними імпульсами тривалістю 4-10 мікросекунд - цього проміжку часу достатньо, щоб у речовині встановилася термодинамічна рівновага, але ще не почали формуватися полімерні ланцюжки. Тиск у ході підвищення температури залишався практично постійним (коливання становили менше п'яти відсотків). Після закінчення нагріву вчені просвічували зразок лазерним випромінюванням з безперервним спектром в оптичному діапазоні (довжина хвилі 480-750 нанометрів) і виміряли спектри поглинання і відображення.
У результаті вчені виявили, що при фіксованому тиску c > 1,2 мільйона атмосфер і підвищенні температури до величини c = 3000 кельвінів частка поглиненого випромінювання різко падає в усьому спектральному діапазоні, а частка відображеного випромінювання різко зростає. Це вказує на те, що при низьких температурах речовина є порівняно прозорим напівпровідником з широкою забороненою зоною, а при нагріванні ширина забороненої зони зменшується, і азот стає металом. Критичний тиск c близько до умов утворення кристалічної кубічної фази cg-N, що говорить про низьку енергії дисоціації молекул. З іншого боку, критична температура c близька до температури плавлення твердих фаз азоту. Отже, стан, який спостерігається в експерименті, - це стан рідкого металу, утвореного практично повністю розпаленими молекулами азоту.
Автори статті зазначають, що ці результати збігаються з результатами схожих експериментів, в яких високий тиск виходив динамічно, а не статично. Тим не менш, досягнута в цих експериментах температура не опускалася нижче 7000 кельвінів - тому вони не могли вхопити момент переходу речовини в рідкий металевий стан, а тільки констатували його утворення. Крім того, фазовий перехід відбувається при більш високих тисках, ніж передбачали теоретичні моделі - це означає, що теорія потребують певного доопрацювання.
Фізики часто досліджують поведінку матеріалів в екстремальних умовах. Наприклад, у січні 2017 року дослідники з Гарвардського університету вперше експериментально отримали металевий водень, стискаючи його в алмазній ковадлі до тиску близько п'яти мільйонів атмосфер і охолоджуючи до температури п'яти кельвінів. А в лютому того ж року група вчених під керівництвом Артема Оганова змусила гелій утворити стійке з'єднання з натрієм при тиску близько 1,6 мільйона атмосфер. Детальніше про отримання екстремальних умов в лабораторії можна прочитати в нашому матеріалі «Подорож до центру Землі».