Экспериментальные методы:

Основная цель экспериментов при высоких давлениях состоит в изучении фазовых превращений в твердом теле, синтезе новых фаз и исследовании их состава, кристаллической и магнитной структуры, физических и термодинамических свойств. Оборудование, используемое для этих экспериментов, сконструировано и изготовлено в ИФТТ и включает в себя гидростатические камеры, работающие при давлениях до 2.5 ГПа и температурах до 800 K, широкий набор квазигидростатических камер на диапазон до 9 ГПа и 1500 K, а также алмазные наковальни, специально сконструированные для измерения магнитной восприимчивости сверхпроводников при давлениях до 70 ГПа и температурах 1.5-300 K. Ячейки высокого давления, используемые в гидростатических и квазигидростатических камерах, позволяют сжимать образец в различных инертных средах и в атмосфере водорода. Исследования in situ проводятся методами резистометрии, магнитометрии, дифференциального термического анализа и пьезометрии. Аппаратура также позволяет производить быстрое охлаждение синтезированных образцов под давлением до температуры жидкого азота. При столь низкой температуре очень многие фазы высокого давления метастабильно устойчивы при атмосферном давлении и могут быть извлечены из ячейки высокого давления для последующих исследований. Максимальное количество образца, получаемое в одном эксперименте, довольно велико по масштабам физики высоких давлений и достигает 1000 (200) мм³ при давлениях до 3 ГПа и 200 (50) мм³ при давлениях до 9 ГПа, если в качестве среды, передающей давление, используется инертное вещество (водород).

Специфическая особенность исследований в ЛФВД, отличающая ее от большинства других лабораторий, раьотающих с высокими давлениями, состоит в сочетании измерений in situ с изучением при атмосферном давлении новых фаз высокого давления, сохраненных путем закалки до температуры жидкого азота. Для изучения кристаллической и магнитной структуры, а также динамики решетки этих новых закаленных фаз широко используется рассеяние нейтронов. Нейтронные эксперименты в основном проводятся на светосильных установках Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле.

Объектами исследований являются различные кристаллические, нанокристаллические и аморфные металлы и сплавы, а также углеродные наноструктуры.

В числе наиболее интересных научных результатов последних лет:

• Обнаружено, что водород образует необычную подрешетку в фазе высокого давления a - MnH_0.07 и занимает позиции, расположенные парами размером 0.68 Å. Малость этого расстояния обуславливает аномально большую величину эффектов туннелирования водорода между позициями внутри пар. В частности, туннельное расщепление основного колебательного состояния атомов водорода достигает 6.4 мэВ, и потому туннелирование водорода превалирует над термоактивированной диффузией при температурах до 140 К. Это один из немногих квантовых эффектов, наблюдавшихся при температурах выше азотной. Туннелирование водорода в металлах изучается уже на протяжении многих лет, но туннельное расщепление никогда не превосходило 0.2 мэВ, и эффект наблюдался только при температурах ниже 10 K.

• В системе Zn - Sb при давлениях около 1 ГПа обнаружен обратимый переход первого рода между двумя различными аморфными полупроводниковыми фазамиam₁ и am₂. Экспериментально определена линия метастабильного равновесия am₁ ↔ am₂ и показано, что она заканчивается в критической точке при температуре около 100°C . Это первый случай наблюдения фазового равновесия между аморфными полупроводниковыми фазами.

• Структурные исследования Cu₂O при высоких давлениях показали, что нагрев образца при давлении 33 ГПа приводит к последовательности превращений: гексагональная фаза Cu₂O → аморфное состояние → распад на кристаллические Cu и CuO . Таким образом, впервые получено экспериментальное доказательство того, что твердофазная аморфизация может быть переходной стадией не только полиморфного превращения, но и химической деструкции вещества.

• Исследование фазовых диаграмм систем Mo-D и Mo-H при высоких давлениях и их сравнительный анализ позволили впервые экспериментально доказать, что линия распада гидрида близка к линии равновесия, тогда как линия образования значительно смещена в сторону высоких давлений. Предложено объяснение этого эффекта, присущего только системам металл-водород. Возможность сильной асимметрии гистерезиса фазовых превращений в системах металл-водород дебатировалась на протяжении многих десятилетий, но эксперименты не давали однозначного подтверждения ее наличия, а предлагавшиеся объяснения противоречили термодинамике. Нынешнее исследование оказалось успешным благодаря особому соотношению термодинамических свойств гидрида и дейтерида молибдена, выявленному с помощью нейтронной спектроскопии.

• При высоких давлениях водорода синтезированы гидрофуллериты, содержащие до 60 атомов водорода на молекулу C₆₀. Установлено, что в этих новых фазах часть водорода находится в виде молекул H₂, занимающих межузельные позиции в решетке, построенной из молекул C₆₀H_x с x ≤ 57. Максимальное содержание водорода в гидрофуллеритах, достижимое с помощью других методов, составляет x = 36, а молекулярный водород был ранее обнаружен лишь в одном кристаллическом веществе – льде высокого давления.

• Обнаружено, что гидрофуллерит C₆₀H₂₄, синтезированный при высоком давлении водорода, ферромагнитен при комнатной температуре. Это первый пример ферромагнетика, состоящего только из углерода и водорода, и первый пример органического ферромагнетика с температурой Кюри, превышающей 16 K.

• Обнаружено, что при давлении водорода 9 ГПа графитовые нановолокона, одностенные и многостенные углеродные нанотрубки образуют соединения, содержащие 6.3-6.8 вес.% H (H/C = 0.81-0.87) и термически устойчивые в вакууме при температурах до 450-500°C. Гидрирование нановолокон приводит к увеличению расстояния между графеновыми плоскостями на 40%.