Лазер превратил воду в экзотический лёд

Мощные лазерные импульсы за наносекунду превратили воду в экзотический тип льда.

Тот лёд, который вы когда-либо встречали в своей жизни, скорее всего относился к одному единственному типу — так называемому I_h (один-аш). Это кристаллы льда, имеющие гексагональную кристаллическую структуру. Но давно известно, что существуют и другие виды льда: на данный момент насчитывают 17 его кристаллических модификаций.

Кристаллическая структура льда VII
© Yadevol // Wikimedia Commons // Public Domain
Кристаллическая структура льда VII © Yadevol // Wikimedia Commons // Public Domain

Одним из таких экзотических видов является лёд VII (лёд-семь). Его кристаллы имеют простую кубическую структуру, а наблюдаться такой лёд может даже при комнатных температурах — но только при больших давлениях порядка сотен атмосфер. В природе такой «сжатый лёд», возможно, существует где-нибудь на дне океанов на спутнике Сатурна Титане, или на некоторых экзопланетах.

В свежей работе рост льда VII удалось наблюдать в эксперименте с использованием коротких и мощных лазерных импульсов. Эти импульсу возбуждали в воде ударные волны, в которых и достигалось необходимое давление.

Эта работа не первая, в которой таким методом пытались получить лёд VII, однако до этого не удавалось надёжно зафиксировать кристаллическую структуру быстро возникающего и быстро пропадающего состояния. Сейчас же авторы работы использовали для этой цели уникальный источник рентгеновского излучения — лазер на свободных электронах LCLS, расположенный в Стенфорде.

Схема экспериментальной установки
© A. E. Gleason et al. Phys. Rev. Lett. 119, 025701 (2017)
Схема экспериментальной установки © A. E. Gleason et al. Phys. Rev. Lett. 119, 025701 (2017)

Экспериментаторы облучали инфракрасным лазерным импульсом тонкий слой воды, а затем с небольшой задержкой посылали на него рентгеновское излучение. На получившихся в серии выстрелов снимках оказались хорошо различимы два дифракционных пика, свидетельствующие о возникновении кубической кристаллической структуры. Пики, однако, существовали только в течение около 6 наносекунд после прохождения ударной волны.

Те самые пики
© A. E. Gleason et al. Phys. Rev. Lett. 119, 025701 (2017)
Те самые пики © A. E. Gleason et al. Phys. Rev. Lett. 119, 025701 (2017)

Более детальный анализ показал, что кубическая структура возникает не сразу. Сначала образуются одномерные кристаллы в виде иголок или палочек. И только затем они объединяются в единую кубическую структуру.

Больше статей в блоге physh.ru и telegram-канале physħ