Kompresja perowskitów podwójnych: badanie wysokociśnieniowych struktur fluorosrebrzanów metali alkalicznych M2AgF4 (M=Na-Cs)

Wyobraźmy sobie jabłko leżące na stole. Gdybyśmy chcieli wyciąć w nim dziurę, proporcjonalnie tak głęboką, jak najgłębsze odwierty w historii ludzkości, ledwo przebilibyśmy jego skórkę. Znaczna część Ziemi jest dla nas obecnie nieosiągalna, ale wiemy, że ten obszar ukryty pod naszymi stopami jest w stanie zmienić zwykły węgiel w diamenty, że jest odpowiedzialny zarówno za pole magnetyczne naszej planety, chroniące nas przed śmiertelnym promieniowaniem kosmicznym, jak i za katastrofalne w skutkach trzęsienia ziemi. Jedną z bezpośrednich przyczyn wszystkich tych efektów jest panujące w głębi Ziemi ciśnienie: grafit podgrzewany pod ciśnieniem atmosferycznym spala się, natomiast podgrzany bez udziału powietrza i ściśnięty do setek tysięcy atmosfer przekształca się w diament. Ciśnienie jest więc czynnikiem radykalnie zmieniającym właściwości substancji i przekształcającym je w zupełnie nowe postaci i nietypowe materiały.

Jeden z przykładów dobrze znanej substancji uzyskującej całkowicie różne właściwości w warunkach wysokiego ciśnienia to cuchnący gaz, H2S. Gaz ten po schłodzeniu i ściśnięciu do ekstremalnie wysokiego ciśnienia rzędu 200 tys. atm zestala się i staje się nadprzewodzący, pozwalając prądowi elektrycznemu płynąć bez żadnego oporu. Wytworzenie materiału o analogicznych właściwościach pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej miałoby ogromny wpływ na technologię. Umożliwiłoby bezstratną transmisję energii, tańszy i bardziej ekologiczny transport i zmieniłoby nasze codzienne życie. Obecnie większość materiałów wykazujących nadprzewodnictwo bezstratnie przewodzi prąd w temperaturach poniżej 150 K i pod zwiększonym ciśnieniem. Jedyna znana klasa związków, która wykazuje takie właściwości pod otaczającym nas ciśnieniem 1 atm w temperaturach zbliżonych do –100 oC, zwana jest kupratami (od łac. cuprum – miedź).

Projekt ten ma na celu zbadanie zmian, jakim ulega pewna rodzina związków srebra – fluorosrebrzanów metali alkalicznych, M2AgF4 (M = Na, K, Rb, Cs) – poddana działaniu wysokich ciśnień. Związki te mają struktury krystaliczne, co oznacza iż zbudowane są z identycznych zbiorów atomów ułożonych periodycznie w przestrzeni. Pewne ich cechy są bardzo podobne do tych obecnych w  nadprzewodzących kupratach. Ponieważ srebro znajduje się w tej samej grupie układu okresowego co miedź, ma podobne właściwości. Jest to jeden z powodów, dla których struktury fluorosrebrzanowe zawierają elementy analogiczne do tych występujących w kupratach. Między obiema rodzinami związków istnieją jednak pewne subtelne różnice. Kompresja fluorosrebrzanów może jednak zmodyfikować ich wewnętrzną budowę w sposób, który całkiem upodobni je do kupratów.

Aby się przekonać czy to istotnie ma miejsce, zbadamy strukturę krystaliczną związków pod ekstremalnie wysokimi ciśnieniami rzędu 400 tys. atm, używając kowadła diamentowego (ang. diamond anvil cell). Składa się ono z dwóch diamentów naciskających na siebie malutkimi powierzchniami. Kiedy próbka znajduje się między nimi, oddziałuje na nią duża siła na niewielkim obszarze – próbka poddawana jest wysokiemu ciśnieniu.

Struktura krystaliczna próbki zawartej w kowadle diamentowym może być zbadana przy użyciu szeregu metod. Dwie bardzo czułe i niezwykle użyteczne z nich nazywane są dyfraktometrią promieniowania rentgenowskiego i spektroskopią Ramana. Obie wykorzystują interakcję światła z próbką do sondowania struktury badanego materiału i właściwości z nią powiązanych (drgań sieci krystalicznej).

Podsumowując, celem projektu jest zbadanie fluorosrebrzanów metali alkalicznych za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej i spektroskopii Ramana, aby dowiedzieć się, w jaki sposób i dlaczego wysokie ciśnienie modyfikuje ich strukturę krystaliczną, to jest położenie atomów w przestrzeni i jakie ma o konsekwencje dla ich właściwości – szczególnie strukturalnych i magnetycznych. Najciekawsze jest czy w warunkach wysokiego ciśnienia fluorosrebrzany mogą stanowić ścisły analog kupratów.