Когда инертный газ становится металлом: как неон ведет себя при миллионах атмосфер

Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института впервые подробно описали, как один из самых инертных элементов таблицы Менделеева — неон — меняет свои свойства в экстремальных условиях. С помощью масштабного компьютерного моделирования ученые построили полное уравнение состояния неона в диапазоне от комнатных температур до десятков тысяч кельвинов, определили его кривую плавления при давлениях до 35 миллионов атмосфер и установили условия, при которых газ переходит в проводящее, «металлическое» состояние. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B.

Неон — пятый по распространенности элемент во Вселенной. Его физические свойства важны не только для фундаментальной физики, но и для понимания процессов, происходящих в недрах планет-гигантов и в атмосферах звезд. В таких средах вещество одновременно испытывает колоссальное давление и экстремальные температуры, что радикально меняет его фазовое состояние, плотность и электронную структуру. При этом атомы неона отличаются высокой устойчивостью к сжатию, из-за чего его поведение в экстремальных условиях долго оставалось плохо изученным.

Особый интерес представляет судьба неона внутри Юпитера и Сатурна. Наблюдения показывают, что в атмосферах этих планет его содержание занижено. Считается, что неон захватывается каплями жидкого гелия и оседает в глубинных слоях планеты. В таких условиях он может переходить в металлизованное состояние — начинать проводить электрический ток. На Сатурне подобный «металлический дождь» формирует проводящий слой вокруг ядра планеты, влияя на тепловую эволюцию, эрозию ядра и скорость охлаждения, а также увеличивая оптическую непрозрачность вещества.

«Порог металлизации неона долго оставался предметом споров, — поясняет Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. — Разные теоретические модели давали противоречивые оценки, а экспериментальные данные можно получить только в сложных и дорогостоящих ударно-волновых экспериментах. Наши расчеты охватывают как доступные эксперименту условия, так и области давлений и температур, недостижимые в лаборатории. Это позволяет точно определить, когда и как инертный газ начинает менять свои электронные свойства».

Одной из ключевых задач стало построение кривой плавления неона — фундаментальной характеристики, необходимой для моделирования вещества в широком диапазоне фазовых состояний. Расчеты показали, что при плотности около 14 г/см³ неон плавится при температуре порядка 20 тысяч кельвинов и давлении выше 30 миллионов атмосфер.

«Для этого мы использовали так называемый Z-метод, поскольку стандартные эмпирические критерии, например критерий Линдемана, плохо работают для благородных газов, — рассказывает Георгий Демьянов, младший научный сотрудник ОИВТ РАН. — Нам удалось получить широкодиапазонную кривую плавления, хорошо согласующуюся с экспериментами при низких давлениях. При этом выяснилось, что многие популярные теоретические аппроксимации существенно завышают температуру плавления неона».

Построенное уравнение состояния было тщательно проверено: его сравнили с результатами ударно-волновых экспериментов, проведенных в Сандийской национальной лаборатории в США. Во всех случаях модель точно воспроизводила ударные адиабаты и поведение неона при повторном сжатии.

Отдельное внимание ученые уделили расчету электропроводности в условиях сильного межчастичного взаимодействия и вырождения электронов. В работе была предложена новая, математически строгая методика выбора параметров моделирования, которая позволила получить физически корректные значения электропроводности и надежно оценить погрешности. Это дало возможность проследить процесс металлизации неона вплоть до плотностей 14 г/см³ и температур порядка 100 тысяч кельвинов, а также объяснить, почему в ряде экспериментов металлизация не наблюдалась.

«Мы показали, что при экспериментальном изоэнтропическом сжатии температура остается слишком низкой для перехода неона в металлическое состояние даже при давлениях до 27 миллионов атмосфер, — отмечает Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Это полностью объясняет отсутствие проводимости в классических экспериментах. В итоге нам удалось связать единым образом теорию, моделирование и реальные данные ударно-волновых исследований».

Полученные результаты дают надежный инструмент для описания процессов в недрах планет-гигантов и уточняют представления о поведении вещества в экстремальных условиях. Там, где эксперимент упирается в технические пределы, численное моделирование позволяет заглянуть в мир миллионов атмосфер — и увидеть, как даже инертный газ перестает быть инертным.

Источник: Металлизация неона в ударно-волновых экспериментах: ученые ОИВТ и МФТИ раскрыли свойства благородного газа в экстремальных условиях — За науку