Nyt forskningsinitiativ drejer laserfokus på fysik med høj energi-densitet

Atomer opfører sig meget anderledes, når de presses til tryk mere end en million - eller endda en milliard - gange atmosfæretrykket på Jorden. At forstå, hvordan atomer reagerer under sådanne højtryksbetingelser, kan føre til skabelse af nye materialer og give forskere værdifuld indsigt i stjerners og planeters sammensætning, såvel som selve universet.

Det er blandt grundene til, at University of Rochester har vendt opmærksomheden mod det relativt nye felt inden for fysik med høj energi-densitet. En anden grund er, at universitetet er klar til at yde store bidrag til feltet.

"Vores folk og vores ressourcer sætter os i en unik position til at få afgørende indsigt inden for fysik med høj energi-densitet, "siger Provost og Senior Vice President for Research Rob Clark.

Rochesters laboratorium for laserenergi, for eksempel, er hjemsted for OMEGA -laseren. 10 meter høj og 100 meter lang, OMEGA er verdens største universitetsbaserede laser.

Rochester har også rekrutteret Gilbert "Rip" Collins til at lede en ny, tværfagligt forskningsinitiativ til fysik med høj energi-densitet. Collins var tidligere direktør for Lawrence Livermore National Laboratory's Center for High-Energy-Density Physics, og er nu professor i Institut for Maskinteknik og Institut for Fysik og Astronomi, samt seniorforsker ved universitetets laboratorium for laserenergi. Collins siger, at initiativet "vil gøre det lettere at samarbejde mellem kemi, ingeniørarbejde, fysik, og astronomi, "hvilket fører til hurtigere fremskridt på området.

Collins undersøgelser, blandt andet, hvordan atomer bindes under ekstreme trykforhold. Typisk, det er de yderste elektroner af et atom, der reagerer med elektronerne i andre atomer. Men når trykket på atomerne øges kraftigt, de indre elektroner bliver involveret, og det er da det sjove begynder.

"Under ekstremt pres, de kemiske egenskaber ved de elementer, vi kender, gælder ikke længere, "siger han." Vi har brug for nye periodiske tabeller til forskellige trykforhold. "

Diamant er et velkendt materiale, der dannes under højt tryk. Læg kul 100 miles dybt ned i jorden - hvor trykket er næsten 50, 000 gange større end det, der findes på jordoverfladen, og temperaturerne er over 2, 000 grader Fahrenheit - og atomerne bliver stærkt organiserede i en struktur, vi kalder en diamant.

Alligevel er dette trykniveau i den lave ende af skalaen, når det kommer til fysik med høj energi-densitet. Ved mere ekstremt pres, såsom to millioner atmosfærer, natrium omdannes til en isolator; ved 10 millioner atmosfærer, det menes, at hydrogen kan omdannes til et superledende superfluid; og når trykket overstiger 200 millioner atmosfærer, det kan være muligt at gøre aluminium gennemsigtigt.

OMEGA -laseren giver forskere mulighed for at opnå sådanne tryk.

"Mange mennesker tænker på lasere som en kilde til intens varme, "siger Collins." Lasere kan også fungere som en kilde til meget fokuseret pres, og OMEGA -laseren giver os mulighed for at studere materialer ved tryk på millioner til milliarder af atmosfærer. "At forstå, hvordan atomer opfører sig under ekstremt pres, vil gøre det muligt for forskere" at målrettet manipulere stof til at danne noget nyt, eksotiske materialer, "tilføjer han.

Robert McCrory, vicepræsident og direktør for Laboratory for Laser Energetics, siger Collins, der nyder et internationalt ry, "er fremragende egnet til at lede indsatsen på universitetet." Han bemærker, at faciliteter som laserlaboratoriet, den nationale tændingsfacilitet i Lawrence Livermore, hvor Collins var ansat før, samt Z -maskinen på Sandia National Laboratories, "har åbnet den nye fysikgrænse med høj energi-densitet" og sikret amerikansk lederskab på området.

Men der er endnu mere til fysik med høj energi-densitet end at skabe nye materialer. Michael Campbell, vicedirektør for laboratoriet for laserenergi, kalder feltet en "varig videnskab".

"Der vil altid være nye områder at udforske, herunder selve universets natur, "siger han." Trykket i centrum af planeter overstiger millioner af atmosfærer og hundredvis af milliarder for stjerner. Fysik med høj energi-densitet kan være nøglen til at hjælpe os med at lære, hvad planeter og stjerner er lavet af, om, som jorden, de har magnetfelter, og hvordan stråling og energi flyder inden for vores sol og andre stjerner. "