Smashing guld med finesse:Stødfri kompressionseksperimenter etablerer nye trykskalaer

For at teste standardmodellen for partikelfysik, forskere kolliderer ofte partikler ved hjælp af gigantiske underjordiske ringe. På lignende måde, højtryksfysikere komprimerer materialer til stadigt større tryk for yderligere at teste kvanteteorien om kondenseret stof og udfordre forudsigelser lavet ved hjælp af de mest kraftfulde computere.

Tryk på mere end 1 million atmosfærer er i stand til dramatisk at deformere elektroniske atomskyer og ændre, hvordan atomer pakkes sammen. Dette fører til ny kemisk binding og har afsløret ekstraordinær adfærd som heliumregn, omdannelsen af ​​natrium til et gennemsigtigt metal, fremkomsten af ​​superionisk vandis og omdannelsen af ​​brint til en metallisk væske.

Med nye teknikker, der konstant fremmer grænsen for højtryksfysik, terapascal (TPa) tryk, der engang var utilgængelige, kan nu opnås i laboratoriet ved hjælp af statisk eller dynamisk kompression (1 TPa svarer til ca. 10 millioner atmosfærer).

Imidlertid, præcis og præcis bestemmelse af trykket tilføjer endnu et niveau af kompleksitet til eksperimenter under ekstreme forhold. Mange af disse teknikker er afhængige af en kalibreret trykstandard. Indtil nu, de fleste eksperimenter var baseret på ekstrapolationer af lavtrykskalibreringsmålinger eller teoretiske modeller for at bestemme trykket ved sådanne ekstreme forhold.

Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories og University of Hyogo har ændret det ved at udføre eksperimenter på verdens mest energiske laser-LLNL's National Ignition Facility (NIF) i Livermore, Californien – og verdens mest kraftfulde pulserende kraftanlæg – Sandias Z Machine i Albuquerque, Ny mexico.

Ved at bruge en ny tilgang, kaldet stødfri eller rampekompression, holdet bestemte, hvordan guld og platin komprimeres, når de presses til 1 TPa med ekstrem høj præcision. Derefter, de brugte deres data til at udlede nye trykskalaer til 1 TPa. Forskningen blev offentliggjort i dag i Videnskab og omtalt i en særlig "Perspektiver"-sektion.

"NIF og Z-maskinen er unikke faciliteter. Vi pressede virkelig på deres evne til at udføre den mest præcise måling muligt, " sagde Dayne Fratanduono, LLNL fysiker og hovedforfatter af publikationen. "For at lave stødfri kompression, vi bruger enten flere laserstråler eller den pulserende strømkilde til gradvist at presse vores prøve. Men nøglen er meget omhyggeligt at kontrollere den hastighed, hvormed vi øger trykket på prøven, for at undgå at danne en chokbølge, der ville ødelægge eksperimentet. Og man skal huske på, at hele eksperimentet varer meget mindre end en milliontedel af et sekund."

"Tricket er, at de fleste materialer bliver stivere, når de komprimeres, så alt vi skal gøre er at gætte med hvor meget, og find derefter en maskine, der ikke kun giver nok strøm, men også nok kontrol til at realisere eksperimentet, tilføjede Marius Millot, LLNL fysiker og medforfatter.

Ifølge Fratanduono, der var flere andre områder, der var nøglen til at opnå eksperimenternes høje nøjagtighedsniveau:et utroligt niveau af præcision i bearbejdningen af ​​mikronstore trin på målene; målingen af ​​disse trin; og ultrahurtige hastighedsmålinger, der gjorde det muligt for forskerholdet at bestemme, hvordan prøven er komprimeret.

"Dette er virkelig kulminationen på flere årtiers teknologiske udvikling, " sagde Fratanduono. "Det tog flere års udvikling at nå dette niveau af modenhed i eksperimenterne og kombinere de individuelle fordele ved NIF og Z, de to bedste anlæg med høj energitæthed, var også nøglen til virkelig at begrænse den materielle reaktion af guld og platin."

Holdet forventer, at disse nye trykskalaer vil gøre det muligt for andre videnskabsmænd over hele kloden nemt at dog præcist, bestemme trykket i deres eksperimenter ved blot at måle tætheden af ​​et stykke guld eller platin komprimeret sammen med deres prøve af interesse.

"Dette er et stort skridt fremad, fordi med meget bedre trykbestemmelse i eksperimenterne, vi vil virkelig være i stand til at teste teoretiske forudsigelser og benchmark kvantesimuleringer lavet med verdens mest kraftfulde computere, " sagde Fratanduono. "Dette vil give et solidt grundlag for fremtidige opdagelser ved hjælp af statisk og dynamisk kompression, mens vi fortsætter med at teste vores forståelse af kvanteteorien om kondenseret stof, et område med aktiv forskning i forbindelse med kondenseret stoffysik, materialevidenskab og kvantekemi. Fordi vores arbejde vil muliggøre mere præcise målinger af egenskaberne af planetariske bestanddele ved de relevante TPa-tryk, vi forventer også at tiltrække geofysikeres interesse, planetforskere og astronomer."