Rekordhögt tryck avslöjar materiens inre

– Ju bättre kunskaper vi får om hur materien fungerar desto större möjligheter får vi att utveckla material som klarar extrema förhållanden. Vi flyttar ju ständigt forskningsfronten steg för steg, men det här innebär att vi tagit ett jättekliv, säger Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik vid LiU och den som drivit projektet.

Att material förändrar sina egenskaper vid högt tryck vet vi. När trycket ökar minskar avståndet mellan atomerna och de yttre elektronerna, de lättrörliga valenselektronerna, interagerar med varandra. Det är också valenselektronerna som avgör materialens egenskaper.Under högt tryck blir exempelvis en skinande elektriskt ledande metall som natrium en genomskinlig isolator och en gas, som syre, antar fast form och leder ström. Syret kan till och med bli supraledande.

Men medan valenselektronerna är lättrörliga så fortsätter de inre elektronerna att stadigt röra sig kring sina atomkärnor.

Det högsta tryck man hittills använt är 4 miljoner atmosfärer eller 400 GPa, ungefär det tryck som råder i Jordens centrum.Men tack var en nyutvecklad metod har forskarna fått fram ett tryck som är dubbelt så högt som i Jordens centrum och 7,7 miljoner gånger högre än vid jordytan. Med stor precision har de sedan kunnat mäta såväl temperatur som atomernas inbördes positioner i en liten kristallbit av metallen osmium. Osmium är den metall som har den högsta densiteten och som är nästan lika hård som diamant.

Vid det höga trycket fann forskarna en oväntad avvikelse i förhållandet mellan atomernas inbördes avstånd.

– Det höga trycket ledde inte till någon anmärkningsvärd förändring av valenselektronerna, något som förvånade oss. Det fick oss att tänka om och gå tillbaka till teorierna, berättar Igor Abrikosov.

Avancerade superdatorberäkningar vid Nationellt Superdatorcentrum, NSC, i Linköping avslöjade sedan hur kärnelektroner faktiskt kan samverka med varandra till följd av det extrema trycket.

– Detta är ett perfekt exempel på samarbete mellan experimentell och teoretisk materialforskning, säger LiU-forskaren Marcus Ekholm, medförfattare till artikeln.

Forskningsgenombrottet är resultatet av ett flerårigt samarbete mellan forskargruppen vid LiU och forskare i Tyskland, USA, Nederländerna, Frankrike och Ryssland.Det är också forskarna vid tyska Bayreuth University som tagit fram metoden som gör det möjligt att påföra dubbelt så högt tryck som tidigare varit möjligt och ändå kunna mäta och behålla kontrollen. Ett tryck som kan tänkas råda i centrum av betydligt större planeter än vår.

– Interaktion mellan inre elektroner har aldrig tidigare observerats och fenomenet innebär att vi också kan börja söka efter helt nya tillstånd hos materien, berättar Igor Abrikosov.

Resultaten publiceras i ansedda Nature.

– Väldigt roligt för oss och spännande eftersom detta öppnar en hel låda med nya frågor för den fortsatta forskningen, säger Igor Abrikosov.

The Most Incompressble Metal Osmium at Static Pressures above 750 GigaPascals, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia, E. Bykova, M. Bykov, V. Prakapenka, C. Prescher, K. Glazyrin, H.-P. Liermann, M. Hanfland, M. Ekholm, Q. Feng L. V. Pourovskii, M. I. Katsnelson, J. M. Wills, and I. A. Abrikosov.

Metoden:
Diamond anvil cell, se wikipediahttps://en.wikipedia.org/wiki/Diamond_anvil_cell

Metoden har använts sedan slutet av 1950-talet. Forskarna i Bayreuth har nu med hjälp av nanoteknik tagit fram en liten syntetisk diamant som placerats mitt mellan två vanliga diamanter, på var sida om osmium-kristallen. De små diamanterna är bara några tusendels centimeter i diameter. Den avsevärt mindre ytan innebär att trycket där blir dubbelt så högt.

Kontaktinformation
Professor Igor Abrikosov, +46 709 295 650 igor.abrikosov@liu.se