Коллапс антиферромагнетизма в твердом кислороде, долгое время остававшийся неуловимым, наконец-то обнаружен экспериментально и нанесен на фазовую диаграмму кислорода.
Хорошо знакомый нам газ кислород при повышении давления меняется до неузнаваемости, проявляя чрезвычайно интересные свойства. Сначала он сжижается, а потом затвердевает, превращаясь (при не слишком высоких температурах) в изолятор-антиферромагнетик — альфа-кислород. Это одно из немногих простых веществ (ферромагнетиком может быть и углерод; см. [2]), обладающих сильным магнетизмом в твердом состоянии.
|
При дальнейшем повышении давления кислород испытывает ряд фазовых переходов, сопровождающихся перестройкой кристаллической решетки. При давлении около 6 ГПа (60 тысяч атмосфер) он превращается в дельта-фазу, сохраняя свой антиферромагнетизм, а при давлении выше 8 ГПа — в совершенно замечательную эпсилон-фазу. Ее также называют красным кислородом из-за насыщенного кроваво-красного цвета (подробнее см. [3]). Наконец, при очень высоком давлении в 96 ГПа (уже за пределами рис. 1) кислород переходит в дзета-фазу и становится сверхпроводником.
Сверхпроводимость, как известно, редко уживается с магнетизмом, ведь сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость (что, впрочем, не исключает некоторые курьезы; см. [4]). И действительно, эксперименты показали, что дзета-кислород уже не обладает магнитной упорядоченностью. Тогда возникает вопрос: на каком именно этапе пропадает магнетизм? Где именно на фазовой диаграмме расположена линия магнитного коллапса?
Казалось бы, есть три возможности: при переходе из дельта-фазы в эпсилон, из эпсилон в дзета или же где-то внутри эпсилон-фазы. Однако и теория, и эксперимент долгое время блуждали в этих трех соснах. Теоретические вычисления вначале предсказывали магнитный коллапс при эпсилон-дзета-переходе, затем предпочтения сместились внутрь эпсилон-фазы, и наконец, совсем недавние вычисления указывают на то, что вся эпсилон-фаза уже должна быть немагнитной, т. е. магнитный коллапс должен произойти при еще более низких давлениях. На последнюю возможность косвенно указывали также и экспериментальные данные.
Однако и здесь есть подвох. Если магнетизм пропадает при переходе из дельта-фазы в эпсилон, значит он появляется при обратном переходе из эпсилон в дельта-фазу. Но особенность фазовой диаграммы кислорода такова (см. рис. 1), что этот переход можно осуществить нагревом образца при постоянном давлении. А в физике еще никогда не наблюдалось такого, чтоб нагревание приводило к возникновению магнитной упорядоченности: ведь магнетизм плохо уживается также и с высокой температурой.
Недавняя статья ставит точку в этом запутанном вопросе. Автор статьи докладывает результаты экспериментальных наблюдений намагниченности образца твердого кислорода при различных давлениях и температурах. Изменяя эти параметры, можно «путешествовать» по фазовой диаграмме вещества, пересекая линии фазовых переходов. Использованная в эксперименте магнитная дифракция нейтронов позволяла одновременно следить за наличием намагниченности и за структурными превращениями образца.
В первом эксперименте исследовались магнитные свойства при низкой температуре (не выше 4 К) при постепенном повышении давления. Как только давление достигало 8 ГПа, кислород переходил в эпсилон-фазу, и магнитный пик в угловом распределении нейтронов пропадал. Это доказывало, что эпсилон-фаза действительно немагнитна. Затем фазовая диаграмма сканировалась «сверху вниз»: образец держался при постоянном давлении, но изменялась температура (красные стрелки на рис. 2).
При давлении 6,2 ГПа, понижая температуру и «спускаясь» из бета-фазы в дельта-фазу, экспериментаторы обнаружили возникновение магнитного порядка при 200 К — именно там, где и лежит граница между этими двумя фазами. Повторив этот эксперимент при чуть более высоком давлении (7,6 ГПа), исследователи выяснили, что магнитный порядок наступает при более низкой температуре — около 150 К, хотя граница раздела двух фаз смещается в сторону более высоких температур.
|
Это означает, что дельта-фаза существует в двух модификациях: магнитной и немагнитной (на рис. 2 они обозначены дельта-1 и дельта-2). При переходе из одной модификации в другую структурных превращений не происходит, а исчезает лишь внутренний магнетизм.
Таким образом, этот эксперимент кладет конец спорам о том, где именно на фазовой диаграмме происходит магнитный коллапс: он происходит внутри дельта-фазы. Интересно, что результат оказался в полном согласии с самыми последними теоретическими расчетами. Кроме того, он дает еще одно косвенное подтверждение того, что в эпсилон-фазе кислород объединяется в молекулы O4, которые имеют нулевой спин и не могут проявлять магнетизма.
