Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института выполнили масштабное моделирование свойств неона в экстремальных условиях. Им удалось построить полное уравнение состояния этого благородного газа в области от комнатных температур до десятков тысяч градусов, определить его кривую плавления вплоть до давлений порядка 35 миллионов атмосфер и предсказать условия, при которых неон начинает проводить электрический ток.
Неон — пятый по распространенности элемент во Вселенной, и его свойства играют важную роль в моделировании строения планет-гигантов, атмосфер звезд, а также различных процессов при высоких давлениях и температурах. Так, в глубинах газовых гигантов вещество испытывает колоссальное давление при экстремальной температуре, что влияет на распределение энергии, плотность, фазовые переходы и перемешивание слоев. Особенная устойчивость атомов неона при экстремальном сжатии делает его поведение необычным и интригующим.
Особенно любопытен процесс выпадения осадков на планетах-гигантах: так, на Юпитере и Сатурне неон захватывается каплями жидкого гелия и оседает в недрах этих планет, что способствует его накоплению. Экстремальные условия приводят к металлизации неона, то есть его переходу в проводящее состояние. На Сатурне этот металлизованный дождь формирует проводящий слой вокруг ядра, влияя на эрозию, тепловую эволюцию, размер ядра планеты, а также замедляя охлаждение планеты за счет повышенной оптической непрозрачности.
«Порог металлизации неона долго оставался предметом споров, — прокомментировал Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. — Различные теоретические модели давали сильно расходящиеся прогнозы, а экспериментальные данные требуют многочисленных сложных и дорогих ударно-волновых экспериментов. Наши расчеты охватывают как экспериментальную область давлений и температур, так и условия, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. Полученные данные позволяют определить, когда и при каких условиях этот инертный газ начинает менять свои электронные свойства».
Особое внимание исследователи уделили построению кривой плавления — одной из важнейших характеристик при моделировании вещества в широком диапазоне фазовых состояний. Результаты показали, что при плотности 14 г/см³ неон плавится при температуре около 20 тысяч кельвинов и давлении свыше 30 миллионов атмосфер. Работа опубликована в журнале Physical Review B.
«Для определения точек плавления был использован трудоемкий Z-метод, поскольку традиционные критерии, вроде критерия Линдемана, неприменимы для описания плавления благородных газов, — пояснил Георгий Демьянов, младший научный сотрудник ОИВТ РАН. — Моделирование позволило получить широкодиапазонную кривую плавления, согласованную с экспериментальными значениями при низких давлениях. Интересно, что наши данные совпадают только с одной из аппроксимаций, а многие другие подходы заметно переоценивают температуру плавления неона».
Полученное уравнение состояния неона ученые сопоставили с результатами ударно-волновых экспериментов Сандийской лаборатории (США). Во всех случаях представленная модель воспроизвела ударные адиабаты и кривые повторного ударного сжатия неона с высокой точностью.
В работе также присутствует и новая методика расчета коэффициента электропроводности в условиях сильного межчастичного взаимодействия и вырождения электронов. Впервые был предложен математически строгий критерий для выбора параметров моделирования, что дало возможность получить физически обоснованные значения коэффициента электропроводности и корректно оценить погрешность вычислений. Это позволило получить полную картину металлизации неона до плотностей 14 г/см3 и температур 105 К. В итоге новые расчеты также объяснили отсутствие металлизации неона в некоторых экспериментах.
«Наши результаты показали, что в условиях экспериментального изоэнтропического сжатия температура остается слишком низкой для перехода неона в металлическое состояние даже при достижении давлений до 27 миллионов атмосфер. Это полностью объясняет отсутствие проводимости, наблюдаемое в ряде классических экспериментов, — добавил Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Таким образом, в нашей работе нам удалось не только построить широкодиапазонное уравнение состояния неона, но также связать его с реальными экспериментами, включая сложные случаи многократного ударного сжатия. В результате мы продемонстрировали высокую точность полученных данных, что дает уверенность в использовании модели для надежного описания процессов в недрах планет-гигантов».