Экспериментаторы из Института физики высоких давлений (Москва) Л. Ф. Верещагин, Е. Н. Яковлев, Г. Н. Степанов и Б. В. Виноградов обнаружили, что естественный алмаз при некоторых экстремальных условиях может переходить в металлическое состояние, становясь, таким образом, проводником электрического тока.
Хорошо известно, что в кристаллических структурах энергия электронов может принимать далеко не любые значения. «Разрещенные» значения энергии заполняют узкие интервалы энергетической шкалы. Как принято говорить, электроны могут находиться лишь в некоторых энергетических зонах. При этом они занимают в первую очередь низшие энергетические зоны, оставляя более высокие зоны пустыми. Если к такому кристаллическому телу приложить электрическое поле, то электроны, получая энергию от приложенного поля, будут из нижних «перенаселенных» зон перескакивать в верхние свободные зоны; энергия, приобретенная электронами, реализуется в их движении - возникает электрический ток. Чем меньше расстояние, отделяющее занятые зоны от свободной, то есть чем уже запрещенная зона, тем легче электрону «забраться наверх» в свободную зону. Наоборот, если расстояние между разрешенными зонами велико, кристалл ведет себя, как диэлектрик, - таков алмаз, о котором идет речь в нашей заметке.
Теория предсказывает, что при сверхвысоких давлениях, измеряемых несколькими миллионами атмосфер, зоны, «оккупированные» электронами, и свободные зоны сближаются настолько, что диэлектрик становится металлом.
Так, значит, любой диэлектрик станет металлом, если сжать его давлением в миллион атмосфер? В принципе да, но сделать это не просто. Не просто, и доказать, что диэлектрик действительно приобрел свойства металла. Создать столь высокое давление в объеме, достаточном для физических исследований, необычайно трудно. Скажем, для того, чтобы подвергнуть столь сильному сжатию кубик с длиной ребра в один сантиметр, необходимо «давить» на него со всех сторон с силой примерно в тысячу тонн. Трудности здесь двоякого рода, во-первых давление должно быть всесторонним, иначе образец, подвергнутый такому сжатию, просто «вытечет» из-под пресса; во-вторых, колоссальна величина усилия, которое необходимо приложить к малой площадке.
Более тридцати лет назад американский исследователь П. Бриджмен предложил получать высокие давления, прижимая усеченный конус с небольшой, но достаточной для физических измерений площадью основания к плоскости, сделанной из исследуемого материала. Придуманный им прибор впоследствии получил название наковальня Бриджмена». Однако самые прочные из применявшихся Бриджменом материалов, созданных на основе карбида вольфрама, не выдерживали нагрузок, необходимых для достижения миллиона атмосфер.
В работе «Исследования о пределе применяемых давлений», опубликованной еще в 1941 году, Бриджмен высказал предположение, что наиболее высокие контактные давления можно получить с помощью материала, состоящего из микроскопических зерен алмаза, прочно связанных друг с другом. Идея ученого долго оставалась лишь предположением обычные пленки из мелких алмазных зерен не подходят для этой цели из-за своей пористой структуры. Лишь в 1969 году в Институте физики высоких давлений удалось синтезировать алмаз типа карбонадо - поликристаллическое образование, состоящее из микроскопических, накрепко сцементированных алмазных зерен. На наковальнях Бриджмена, изготовленных из карбонадо, академик Верещагин, и его сотрудники смогли получить давление, приблизительно равное 1 - 3 миллионам атмосфер в объеме, достаточном для физических измерений, в частности для измерения электрического сопротивления.
Предметом первого исследования стал сам алмаз, применявшийся для создания высоких давлений.
В обычных условиях алмаз является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны (5,6 электоон-вольт), то есть практически ведет себя, как диэлектрик. Авторы эксперимента, выполненного в Институте физики высоких давлений, при помощи созданного ими оборудования подвергли алмаз давлению около миллиона атмосфер, измеряя при этом его электрическое сопротивление. Под столь высоким давлением сопротивление исследуемого алмазного образца резко упало с 10 мегом до 100 ом; кристалл алмаза стал металлическим!
Исследования в этом направлении продолжаются.
