Исследователи из Байройтского университета отмечают, что в процессе эксперимента давление было рекордным — вдвое выше, чем в центре Земли. Ранее ученым не удавалось достигнуть значений показателя выше 4 миллионов атмосфер (400 ГПа). Рекорд был поставлен за счет применения микро-полусфер из наноалмаза, что значительно эффективнее традиционной методики с использованием алмазных наковален.
Имитационная часть проекта проводилась в лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» под руководством Игоря Абрикосова — приглашенного специалиста из Линчёпингского университета (Швеция). На суперкомпьютере НИТУ «МИСиС» был смоделирован эксперимент, в котором металл сжимался под давлением 7,7 миллионов атмосфер. Отслеживание изменения кристаллической структуры под воздействием сверхвысокого давления проводилось для металлического осмия, металла, который при нормальном давлении обладает наивысшей плотностью, отличается одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, при этом крайне низкой сжимаемостью.
Результаты как реального, так и виртуального эксперимента были сходными. Они показали, что при рекордных показателях давления металлический осмий обладает той же структурой, что и нормальных условиях. Однако исследование методом рентгеновской дифракции при проведении реального эксперимента обнаружило особенности, не описанные в теории.
Обоснование данных особенностей на виртуальной модели системы и было осуществлено с применением российского суперкомпьютера. Выполнив квантомеханические расчеты, ученые показали, что в осмии при сверхвысоком давлении начинаются процессы взаимодействия между внутренними электронами. Обычно же под давлением свойства материалов меняются из-за изменения внешних, или валентных, электронов.
Моделирование проводилось на суперкомпьютере лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС». Пиковая производительность этого кластера составляет 33 терафлопс (33 трлн операций в секунду). Создание виртуальной модели позволило доказать, что даже в таком материале, как металлический осмий, можно влиять на внутренние электроны. Это открывает серьезные возможности в плане поиска новых состояний вещества.
Эксперимент также позволил понять, как внутри звезд и гигантских планет происходят различные химические и физические процессы. Абрикосов отмечает:
В данной работе мы продемонстрировали, что можно достигать невообразимо высоких давлений и при этом полностью контролировать состояние исследуемого материала, улавливая в эксперименте малейшие его изменения. Мы показали возможности современной теории при помощи компьютерного моделирования разгадывать сложнейшие загадки, которые возникают в подобных уникальных экспериментах. Разработанные экспериментальные и теоретические методики, использованные в данной работе, будут использованы нами в новых исследованиях. Они выведут нас на качественно новое понимание поведения материалов и позволят реализовать важнейшую задачу — перейти от традиционного метода проб и ошибок к научно-обоснованной разработке новых материалов, сократив сроки этих разработок с сегодняшних 10-12 лет до 5-6 лет в ближайшем будущем, а в перспективе — еще больше.
