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. Работа опубликована в журнале Physical Review B.
Исследователи раскрыли свойства неона в экстремальных условиях. Источник: журнал Physical Review B
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.
«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 было сопоставлено 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».
Научная статья: D. V. Minakov, V. B. Fokin, G. S. Demyanov and P. R. Levashov; High pressure—high temperature equation of state and metallization of neon by shock waves from quantum molecular dynamics; Physical Review B 112, 245107, 2025; DOI: https://doi.org/10.1103/y554-7vhs
