Азот составляет большую часть атмосферы Земли, но при сильном давлении и низких температурах он может образовывать твердые фазы с неожиданно сложной структурой. Одна из этих фаз, γ-N2, оставалась малоизученной более 50 лет, несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические исследования.
Теперь китайские исследователи нашли убедительные доказательства того, что γ-N2 имеет моноклинную структуру P21/c, содержащую две молекулы азота в каждой элементарной ячейке. Этот результат подтверждает давнее теоретическое предположение и проясняет структуру фазы, которая, по-видимому, занимает гораздо больший диапазон давлений и температур, чем считалось ранее.
Как признаются ученые, определить структуру γ-N2 оказалось необычайно сложно, поскольку ее трудно вырастить в виде высококачественного монокристалла. Вместо этого она часто образуется в виде порошка низкого качества, что делает анализ менее эффективным.
Чтобы решить эту проблему, исследователи объединили методы синхротронной рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии, инфракрасной спектроскопии и расчеты на основе теории функционала плотности. Согласованность этих методов позволила команде отличить структуру P21/c от нескольких конкурирующих моделей.
Более ранние рамановские измерения выявили дополнительный колебательный сигнал, который не соответствовал предложенной структуре. Новое исследование показало, что он связан не с другим расположением атомов в кристалле, а с небольшим количеством молекул азота, содержащих редкий изотоп азота-15. По мере увеличения давления их более слабая вибрация приближалась к более сильной вибрации обычных молекул азота, что приводило к взаимодействию этих двух сигналов. Исследователи назвали этот эффект ферми-подобным резонансом.
Команда исследователей также обнаружила, что γ-N2 тесно связан с другой твердой фазой — θ-N2. Они имеют схожие спектры комбинационного рассеяния и молекулярную структуру, несмотря на то, что образуются при совершенно разных условиях давления и температуры.
Так как низкотемпературный твердый азот при низком давлении является существенным компонентом тел во внешней части Солнечной системы, его изучение имеет большое значение для понимания состава и эволюции небесных тел.
Справка. Синхротронная рентгеновская дифракция — высокоточный метод исследования атомной структуры вещества, он использует сверхмощные пучки из ускорителей-синхротронов и позволяет расшифровывать в том числе сложные молекулы. Рамановская спектроскопия — это метод исследования молекулярного и кристаллического строения веществ. Он основан на эффекте неупругого рассеяния света. Когда лазер проходит через образец, свет взаимодействует с его молекулами и меняет свою частоту.
Ранее физики разрешили десятилетнюю загадку размеров протона.