Как направление сжатия меняет переходы оксида магния

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Университета Джонса Хопкинса и SLAC показали: при экстремальном сжатии оксид магния MgO может переходить в новую кристаллическую структуру разными путями. Все зависит от ориентации кристалла. Результаты опубликовали 19 октября 2026 года в журнале Physical Review X.

Команда сжимала монокристаллы лазерными ударными волнами на установке Omega-EP Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. Давление достигало 600 ГПа, а температура, по данным экспериментов, примерно 13 000 К. Ученые одновременно измеряли скорость ударной волны и температуру, а также изучали структуру вещества с помощью рентгеновской дифракции.

Один кристалл, два пути превращения

В обычном состоянии MgO имеет структуру B1, похожую на решетку поваренной соли. При сильном сжатии она должна смениться более плотной структурой B2, напоминающей структуру хлорида цезия. Когда кристалл сжимали вдоль направления [111], переход B1 → B2 начинался примерно при 295–343 ГПа. Два температурных плато исследователи связали с последовательностью превращений B1 → B2 → жидкость.

При сжатии вдоль [110] картина была иной. Структура B2 появлялась примерно при 372–425 ГПа, то есть приблизительно на 80 ГПа позже. Рентгеновские снимки показали, что перед ее образованием у фронта ударной волны возникает краткоживущий неупорядоченный слой. Затем за ним кристаллическая структура формируется заново.

Авторы связывают различия с двумя механизмами перестройки атомной решетки. Для направления [111] подходит механизм Бюргерса, а для [110] результаты согласуются с механизмом Ватанабэ, Токонэми и Моримото. В первом случае сжатие сразу создает условия для нужного перемещения атомов. Во втором кристалл сначала быстро разупорядочивается и снимает часть напряжения, а затем формирует структуру B2.

Представим ряд одинаковых книжных полок, который нужно быстро превратить в более плотную конструкцию. Если толкать его вдоль подходящей линии, полки могут перестроиться почти напрямую. При толчке под другим углом часть из них сначала сместится и потеряет порядок, а потом соберется в новой конфигурации. Это лишь аналогия: в эксперименте речь идет об атомной решетке и процессах, которые длятся наносекунды.

При дальнейшем сжатии различия между ориентациями исчезали. Полное плавление MgO исследователи определили при 572 ± 24 ГПа и 13 200 ± 600 К. Эта граница нужна для расчетов, в которых важно понять, останется ли оксид магния твердым или превратится в жидкость, способную проводить электрический ток.

Почему это меняет расчеты недр планет

MgO считают одним из компонентов мантии каменистых планет и ядер газовых гигантов. Поэтому модели таких объектов должны учитывать не только давление и температуру, но и способ сжатия вещества. Новый результат помогает объяснить, почему прежние эксперименты и расчеты иногда давали разные границы фазовых переходов.

У крупных каменистых экзопланет переход MgO из структуры B1 в B2 может влиять на свойства вещества и его способность деформироваться. Для газовых гигантов температура плавления помогает оценивать, где в ядре может сохраняться твердый MgO, а где вероятно появление проводящей жидкости. Однако выводы о ядрах Юпитера, Сатурна и экзопланет при давлениях выше измеренных остаются экстраполяцией.

У эксперимента есть и другие ограничения. Образцы сжимали одноосно, поэтому авторы не исключают дополнительных, или девиаторных, напряжений. Высокобарическая прочность MgO остается неизвестной. Кроме того, рентгеновская дифракция не позволяет напрямую отличить жидкость от неупорядоченной или аморфной фазы. Численные данные для опубликованных графиков доступны в дополнительных материалах, а полный массив исходных измерений можно запросить у автора-корреспондента. Описание результата и его контекста также пригодится при подготовке научной статьи.

Один и тот же материал при одинаково высоком давлении может перейти в новую фазу разными маршрутами. Поэтому фазовую диаграмму MgO нельзя надежно описывать только конечными значениями давления и температуры. В расчетах нужно учитывать и историю сжатия кристалла.