10 March, 2023 17:51

Физики раскрыли структуру и свойства одного из никелевых компонентов ядра Земли

Российские и зарубежные ученые раскрыли структуру ранее открытой ими токопроводящей формы оксида никеля, которая возникает при сжатии до давления в 2,4 млн атмосфер и предположительно присутствует в ядре Земли. Эти эксперименты окончательно подтвердили теоретическое предсказание Нобелевского лауреата Нэвилла Мотта, сообщила пресс-служба Российского научного фонда (РНФ). Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Communications Physics.

Фотография экспериментального образца в среде хлорида натрия и модель кристаллической решетки NiO при сжатии. Источник: Александр Гаврилюк

«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 оксида», - сообщил старший научный сотрудник ИЯИ РАН (Троицк) Александр Гаврилюк

Оксид никеля (NiO) в нормальных условиях представляет собой типичный изолятор, не способный проводить электрический ток. Еще в середине ХХ века английский физик Невилл Мотт предсказал, что данное вещество может при высоком давлении переходить в металлическое состояние, в котором оно будет хорошо 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 из изолирующего в проводящие состояние. Эту задачу удалось решить лишь десять лет назад физикам из Института ядерных исследований РАН (Москва). Они обнаружили, что после сжатия до 2,4 млн атмосфер кристаллы монооксида никеля переходят в новое состояние, в котором они меняют цвет, размеры и начинают проводить электрический ток.

Потемнение части образца NiO при переходе в металлическое состояние при высоких давлениях. Источник: Александр Гаврилюк

Окончательное подтверждение теории

Открытие вызвало споры и дискуссии, связанные с тем, что ученые не до конца понимали то, как и когда изолирующий оксид никеля превращается в его токопроводящий вариант. Российские физики и их зарубежные коллеги восполнили этот пробел в ходе опытов, в рамках которых они проследили за изменениями в структуре и свойствах оксида никеля в широком диапазоне давлений, от нуля до 2,4 млн атмосфер.

Замеры показали, что сжатие оксида никеля действительно приводит к кардинальным изменениям в состоянии его структуры, что сопровождается уменьшением объема. Этот переход, как обнаружили физики, происходит при том же давлении, около 2,22 млн атмосфер, при котором оксид никеля становится проводником, что говорит о прямой связи между этими феноменами.

Результаты экспериментов, как отмечают Гаврилюк и его коллеги, окончательно подтвердили теоретические выкладки Мотта, а также они стали новым аргументом в пользу результатов, полученных в ходе предыдущих экспериментов российских исследователей с токопроводящей формой оксида никеля.

В ближайшее время исследователи планируют изучить другие свойства токопроводящей формы NiO, в том числе его оптические, магнитные и электронные характеристики. Эти сведения крайне важны для понимания того, какую роль данное вещество может играть в круговороте пород внутри ядра Земли и в формировании ее магнитного поля, подытожили ученые.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ