Fyzika vysokých tlaků J. Kamarád Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. , Praha Proč a nač potřebujeme vysoké tlaky Historie, jednotky a škála tlaků P. W. Bridgman a periodická tabulka prvků Technika pro dosažení vysokých tlaků Fyzika vysokých tlaků ve 20. století Megabary a „překvapení“ ve 21. století Vysoké tlaky v GEO-, ASTRO- a BIO-fyzice Užitečné aplikace í

Proč a nač potřebujeme vysoké tlaky „Ze školy“ víme, že se hmota vyskytuje ve třech skupenstvích = plynném – vysoce stlačitelné (PV = RT) = kapalném – nestlačitelné ? = pevném – nestlačitelné ? Uspořádání atomů v látce a její vlastnosti určují charakteristiky atomů a typ jejich vzájemného působení – typ vazby: iontová (heteropolární) - součet valenčních elektronů je roven 8 (s2+p6) kovalentní (homopolární) – atomy si vzájemně sdílejí své valenční elektrony kovová – „volné“ valenční elektrony tvoří tzv. elektronový plyn molekulární – slabé Van der Waalsovy (dipolové, multipolové) síly, vodíkové můstky … Působením dostatečně vysokého tlaku lze měnit jak uspořádání atomů v látkách, tak i jejich vzájemné působení (typy vazeb) a tím lze i velmi významně měnit jejich vlastnosti

Definice a škála tlaků 10-22 atm - mezihvězdný prostor 10-17 atm - ohon komety 10-11 atm - turbomolekulární pumpa 10-5 atm - rotační pumpa 1 atm - atmosférický tlak 103 atm - nejhlubší moře Fyzika vysokých tlaků 3,6*106 atm - střed Země 2,0*1011 atm - střed Slunce

Historie Válečná děla = silnostěnné válce Tlakové cely = silnostěnné válce

P.W. Bridgman (1882-1961), Nobel Prize 1946 Bridgmanův hříbek ph = p*Sč / (Sč - Sh) Manganin - tlakové čidlo, P = α-1 *(ΔR/R0), α = 2.45*10-2 GPa-1 , dlnα/dT = 2.6*10-4 K-1 ΔV/V (NaCl) až do 25 GPa, P = - dE/dV + (γ/V)Ev(V,T), E = N*{- A*e2/r – C/r6 – D/r8 + 6b*exp(-r/ρ)} L.D. Decker, J. Appl. Phys. 42 (1971) 3239 and refs. therein

P.W. Bridgman (1882-1961), Periodická závislost B0 Měření stlačitelnosti (Murnaghanova rovnice) B(P) = B0 + B´*P ; V/V0 = [ B(P) / B0 ] -1/B´ k0 = 1/B0 - poč. stlačitelnost B0 vs. suma (4d+s), resp. (5d+s) elektronů Strukturní fázové přechody, určené pomocí skokových změn ΔV/V.

P.W. Bridgman (1882-1961), Periodická tabulka

P.W. Bridgman (1882-1961), Tlaková stupnice  

Vysokotlaká aparatura - hydrostatická Válcová komora s průchodkou pro elektrické přívody

„DAC“ – Diamond Anvil cell Nejvyšší dosažený tlak (2016) 800 GPa Nejvyšší dosažená teplota 1 600K (puls laseru) Hodnota tlaku je určována pomocí rubínu Teplota pomocí optických spekter Původně pro studium optických, rtg., neutronových difrakcí a Mössbauerových spekter za tlaku - Dnes pro všechny typy fyzikálních měření

Aparatura typu „belt“ Quasi-hydrostatické podmínky

Vysokotlaké vícepístové (multianvils) aparatury

Průmyslová výroba diamantů – impuls pro rozvoj VT General Electric Co. , ~ 1955

Periodická tabulka prvků

Poznatky fyziky vysokých tlaků ve 20. století Působením vysokých tlaků: i) dochází ke změně skupenství = plyn → kapalina → pevná látka ii) dochází ke změnám v uspořádání atomů (krystalové struktury) v pevných látkách = roste počet nejbližších sousedů každého atomu (C-diamant, BN-kubický bornitrid zůstávají stabilní i při atm. tlaku) iii) teplota tání roste ( anomálie vody, 2 kbar, -20 °C) iv) elektrony ve vnějších slupkách atomů (valenční) se stávají volnější (delokalizované) = roste elektrická vodivost mění se obsazení elektronových hladin atomů (s,p → d) a tím i vlastnosti látek = stlačitelnost, el. vodivost, magnetický moment … magnetizace látek klesá v důsledku poklesu magnetického momentu atomů a změn v uspořádání atomárních momentů (anomálii vykazuje Yterbium, které se stává za tlaku magnetickým prvkem)

H2 - disociace molekul, aH-H(kov) ~ 1,5Å , PC = 100 - 500 GPa „DAC“ – Megabary Kovový stav vodíku H2 - disociace molekul, aH-H(kov) ~ 1,5Å , PC = 100 - 500 GPa

„DAC“ – Megabary Li P = 7.5 GPa → bcc – fcc , P = 37 GPa → fcc – cI16 (Pearson‘s symbols)

„DAC“ – Megabary oC16 strucure prvek Tlak (GPa) Typ přechodu   Li* 7,5 bcc - fcc 37 fcc – cI16 60 cI16 – oC88 70 oC88 – oC40 95 oC40 – oC24 Na 65 104 117 cI16 – oP8 125 oP8 – tI19 180 tI19 – hP4 K 11,6 20 fcc – tI19 54 tI19 – oP8 90 oP8 – tI4 96 tI4 – oC16 Rb 7 13 fcc – oC52 17 oC52 – tI19 tI19 – tI4 48 Cs 2,4 4,2 fcc – oC84 4,3 oC84 – tI4 12 72 oC16 – dhcp oC16 strucure směrovost meziatomárních vazeb je za tlaku dominantní (selhává „free electron“ model) mění se s-charakter vazebních elektronů - hybridizace s p-stavy + vliv d-stavů obecný trend → silné vytěsňování vazebních s-elektronů do intersticiálních prostorů atomové poloměry za tlaku: K – 1,16 Å, Rb – 1,38 Å a Cs – 1,62 Å jsou podstatně menší ! než standardní iontové poloměry K – 1,33 Å, Rb – 1,48 Å a Cs – 1,67 Å

„DAC“ – magnetické vlastnosti Fe slitiny (Invary) L. Nataf et al., Phys. Rev. B 80, 134404 2009

„DAC“ – Megabary Xe Kovový stav vodíku a inertních plynů za tlaku Teorie: PC = 160 GPa Experiment: 138 GPa polovodič, 141 GPa kov - průhledný !, metalizace Van der Waals krystalů – kmity mříže nahodile vytváří a ruší vazby pseudo-molekul Xe2 (“juggler”) Kr - 286 GPa; Ar - 457 GPa; Ne - 1600 GPa; He - 2800 GPa;