Необычные свойства вещества, как показала группа американских ученых, проявляются при сжатии под давлением, которые в сотни тысяч раз превосходит атмосферное.

Алмазная наковальня (изображение Александра Гончарова из Вашингтонского института Карнеги).

Первый сплав железа с никелем, обладающий сверхмалым температурным коэффициентом линейного расширения, получил в 1896 году швейцарский физик Шарль Эдуар Гийом, который пытался найти наилучший способ изготовления международного эталона метра. Ученый назвал новый сплав инварным («инвариантным»). В ходе изучения этого материала и различных его аналогов выяснилось, что инварные свойства связаны с изменениями магнитных характеристик вещества, которые каким-то образом «нейтрализуют» эффект термического расширения. «Результаты компьютерного моделирования говорят о том, что электроны в инварных сплавах могут находиться в особом энергетическом состоянии, — говорит ведущий автор работы Майкл Уинтерроуз (Michael Winterrose) из Калифорнийского технологического института. — Причем для поддержания этого состояния необходимо очень точно выдерживать химический состав соединения».

Планируя свой эксперимент, американские исследователи намеренно выбрали сплав палладия и железа Pd₃Fe, не обладающий инварными свойствами (такие свойства характерны для «противоположного» по составу PdFe₃). «Атомы железа и палладия сильно отличаются по размерам, что позволяло надеяться на проявление интересных эффектов при повышении давления», — объясняет г-н Уинтерроуз. Для создания давления экспериментаторы использовали алмазную наковальню.

В ходе опытов образец нагревался до 650 К под давлением 7 ГПа; его особенности были также тщательнейшим образом проанализированы при комнатной температуре и давлениях до 33 ГПа. В результате выяснилось, что в диапазоне температур 300–523 К под давлением в 7 ГПа материал практически не расширяется, демонстрируя инварные свойства. Проведя моделирование квантово-механических характеристик электронов в сплаве, ученые подтвердили, что тот действительно может становиться инварным. «Под давлением электроны занимают особые энергетические уровни, что вполне соответствует нашим представлениям о поведении инварных сплавов», — отмечает Майкл Уинтерроуз.

Ученым, таким образом, удалось в какой-то степени имитировать изменение химического состава вещества. По выражению г-на Уинтерроуза, они действовали «алхимическими методами», заставив электроны под давлением вести себя так, как будто они принадлежат атому другого элемента.

Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Калифорнийского технологического института.