Объединённый институт высоких температур РАН обнаружил новый фазовый переход в цезиевой плазме: скачкообразное изменение электропроводности и наличие редкой двойной критической точки

Научный коллектив Объединённого института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) добился важного физического результата в исследованиях экстремальных высокотемпературных и высокодавленческих состояний: исследователи обнаружили, что цезий (Cesium) в состоянии плотной плазмы претерпевает ранее не описанный фазовый переход, сопровождающийся резким скачкообразным изменением электропроводности.

Данное исследование сосредоточено на микрофизическом поведении вещества в диапазоне температур от 500 до 20000 кельвинов (K) и давлений от примерно 1 гектопаскаля (hPa) до нескольких терапаскалей (TPa). В столь жёстких экстремальных условиях межатомные расстояния значительно сжимаются, вещество претерпевает многократную глубокую ионизацию, и традиционные критерии разделения на твёрдое, жидкое и газообразное состояния уже не способны точно описать его фазовые свойства. Исследовательская организация особо подчёркивает, что данное открытие представляет собой не обычный ионизационный переход традиционного вещества в плазменное состояние, а переход между двумя принципиально различными фазовыми состояниями внутри уже сформировавшейся плотной плазмы.

Научный коллектив с помощью метода квантовой молекулярной динамики (Quantum Molecular Dynamics, QMD) зафиксировал этот физический эффект. Данные моделирования показывают, что при сжатии цезия существуют два промежуточных атомных состояния с почти одинаковым давлением, но кардинально различной электропроводностью. Этот фазовый переход полностью происходит внутри области высокой плотности и многократной ионизации, то есть представляет собой скачок между двумя различными микроструктурными фазами внутри плотного плазменного состояния.

Сотрудник Объединённого института высоких температур Алексей Филаткин (Alexey Filatkin) отметил, что в области тёплого плотного вещества, крайне трудно воспроизводимой в лабораторных условиях и сложно описываемой традиционными теориями, данный результат расширяет представления научного сообщества об основных свойствах многократно ионизованного вещества в экстремальных условиях. Этот фазовый переход является полностью самостоятельным физическим явлением, независимым от обычно известных процессов плавления твёрдое–жидкое или испарения жидкость–газ.

Особого внимания заслуживает то, что исследователи расчётно определили координаты двух критических точек (Critical Points) на фазовой диаграмме этого перехода. За пределами этого диапазона критических параметров состояние сосуществования двух фаз полностью теряет устойчивость. Авторы работы особо отмечают, что в физике до сих пор не было прецедентов одновременного существования двух критических точек на линии фазового равновесия в однокомпонентной системе чистого химического элемента.

Это достижение имеет важное фундаментальное теоретическое значение для физики высоких плотностей энергии (High Energy Density Physics), моделирования процессов взаимодействия мощных лазеров с веществом, а также анализа динамического отклика быстрых тяжёлых ионов при прохождении через среду. Оно предоставит принципиально новую теоретическую основу для изучения внутренней среды плотных звёздных объектов в астрофизике и аномального фазового поведения материалов в экстремальных космических условиях.