Кислород — это газ без цвета и запаха, который необходим для выживания людей и других живых организмов. Считается, что он составляет около 21% атмосферы Земли. Хотя основные свойства кислорода хорошо изучены, состояния, которые могут возникать в нём при экстремальных условиях (например, при высоком давлении), всё ещё исследуются.
Исследователи из Шанхайского центра передовых исследований в области физических наук (SHARPS), Центра передовых исследований в области физики высоких давлений в Китае, Итальянского национального института оптики Национального совета по исследованиям (CNR-INO), Европейской исследовательской лаборатории синхротронного излучения и Университета Монпелье провели исследование свойств высокодавленческой фазы твёрдого кислорода, известной как эпсилон-кислород (ε-O₂).
Их статья, опубликованная в журнале «Physical Review Letters», впервые представляет косвенные доказательства того, что в эпсилон-кислороде возникает динамическое магнитное состояние, известное как спиновое жидкое состояние.
«Кислород, как один из самых распространённых и важных элементов в природе, кажется обычным, но твёрдый кислород на самом деле представляет собой уникальный кристалл», — сказал Федерико Айас Горрелли, соавтор статьи.
«Среди многих систем двухатомных молекул кислород — единственный, обладающий магнитными свойствами, а твёрдый кислород — единственный элементарный твёрдый материал, который является антиферромагнитным изолятором при низких температурах. Наше исследование было вдохновлено важным теоретическим исследованием, предполагающим, что давление может привести к исчезновению магнитных свойств молекул кислорода в эпсилон-фазе (10 ГПа)», — пояснил Филипп Далладей-Симпсон, соавтор статьи.
В рамках своего исследования Горрелли и его коллеги тщательно изучили образец ε-O₂ с помощью дифракции рентгеновских лучей в монокристаллах. Этот метод позволяет выявить расположение атомов в кристаллах, наблюдая за тем, как рентгеновские лучи рассеиваются через них.
«Наша цель состояла в том, чтобы использовать дифракцию синхротронного рентгеновского излучения в монокристаллах на беспрецедентно качественных кристаллах эпсилон-кислорода, чтобы выявить возможные тонкие изменения, способные экспериментально подтвердить это теоретическое предсказание», — объяснил Филипп Далладей-Симпсон.
«Действительно, мы наблюдали небольшие, но существенные разрывы в структурных параметрах при 18,1 ГПа, которые можно надёжно отнести к коллапсу спина от магнитного спинового жидкого состояния до немагнитного состояния», — говорится в статье.
Эксперименты, проведённые Горрелли, Далладей-Симпсоном и их коллегами, позволили наблюдать изоструктурный фазовый переход в ε-O₂. Это означает, что общая симметрия высококачественных кристаллов сжатого кислорода, которые они исследовали, осталась прежней, в то время как константы решётки (то есть повторяющиеся расстояния между атомами в кристалле) и расстояние между кластерами из четырёх молекул кислорода, известными как квартеты (O₂)₄, изменились.
Примечательно, что этот фазовый переход совпал с коллапсом молекулярного магнитного момента образца. Это указывает на то, что эпсилон-кислород перешёл из спинового жидкого состояния в бесспиновое.
«Самым важным достижением является выявление, пусть и косвенное, спинового жидкого состояния, которое оказывается экзотическим состоянием вещества», — пояснил Горрелли.
«На самом деле спиновые жидкости хорошо известны и популярны в спиновых решётках 1/2, в то время как S=1 «скорлуповая спиновая жидкость» внутри квартетов (O₂)₄ фазы эпсилон, по-видимому, уникальна в физике твёрдого тела. Одно из следствий этой работы — расширение феноменологии спинового жидкого состояния на новый случай», — говорится в статье.
Усилия Горрелли, Далладей-Симпсона и их коллег привели к первому косвенному доказательству существования спинового жидкого состояния в сильно сжатом кислороде, что подчёркивает его потенциал в качестве экспериментальной платформы для изучения нетрадиционных квантовых состояний. В будущем другие исследователи могут опираться на эти данные и приступить к дальнейшему изучению состояния, о котором сообщили учёные.
«Мы хотели бы в будущем изучить спиновое жидкое состояние вещества в экстремальных условиях с помощью прямых измерений магнитной чувствительности, что является очень сложной задачей», — добавил Марио Санторо, старший автор статьи.
pressure phase of solid oxygen, known as epsilon oxygen (ε-O2).”,”Their paper, published in Physical Review Letters, offers the first indirect evidence that a dynamic magnetic state, known as a spin-liquid state, emerges in epsilon oxygen.”,”\”Oxygen, as one of the most common and important elements in nature, seems ordinary but solid oxygen is actually a very unique crystal,\” Federico Aiace Gorelli, co-first author of the paper, told Phys.org.”,”\”Among many simple diatomic molecule systems, oxygen is the only one with magnetic properties, and solid oxygen is the only elemental solid that is an antiferromagnetic insulator at low temperatures. Our investigation was inspired by an important theoretical study suggesting that pressure can cause the magnetic properties of oxygen molecules to disappear in the epsilon phase (10 GPa”,”
\n
\nAs part of their study, Gorelli and his colleagues closely examined an ε-O2 sample using single crystal X-ray diffraction. This is a technique that can help to uncover atomic arrangements in crystals, by observing how X-rays scatter through them.”,”\”Our objective was to use single crystal synchrotron X-ray diffraction on unprecedented quality epsilon oxygen crystals in order to reveal possible subtle changes able to experimentally verify this theoretical prediction,\” explained Philip Dalladay-Simpson, co-first author of the paper.”,”\”Indeed, we observed small but substantial discontinuities in the structural parameters at 18.1 GPa, which can be reliably assigned to the spin collapse from a magnetic spin-liquid state to a non-magnetic state.\””,”The experiments carried out by Gorelli, Dalladay-Simpson and their colleagues led to the observation of an isostructural phase transition in ε-O2. This essentially means that the overall symmetry of the high-quality pressurized oxygen crystals they examined remained the same, while lattice constants (i.e., repeating distances between atoms in the crystal) and the spacing within clusters of four oxygen molecules known as (O2)4 quartets changed.”,”Notably, this phase transition was found to coincide with a collapse in the sample’s molecular magnetic moment. This indicates that the epsilon oxygen has shifted from a spin-liquid state to a spinless state.”,”\”The most important achievement is having identified, even if indirectly, a spin liquid-state, which turns out to be an exotic state of matter,\” explained Gorelli.”,”\”As a matter of fact, spin liquids are well known and popular in spin 1/2 lattices, while the S=1 ‘nutshell spin liquid’ inside the (O2)4 quartets of the epsilon phase seems to be unique in solid state physics. One of the implications of this work is thus to have expanded to a new case the phenomenology of the spin liquid state.\””,”The efforts by Gorelli, Dalladay-Simpson and their colleagues led to the first indirect evidence that a spin liquid state exists in highly pressurized oxygen, thus highlighting its potential as an experimental platform for studying unconventional quantum states.”,”In the future, others could build on this evidence and set out to further explore the state reported by the researchers.”,”\”We would now like to move in the future to investigate the spin-liquid state of matter under extreme conditions from direct measurements of the magnetic responsivity, which is a very challenging goal,\” added Mario Santoro, senior author of the paper.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник