Forskning fremhæver teknikker til at studere materialer under ekstreme forhold

Materialernes egenskaber under ekstreme forhold er af central interesse for en række områder, inklusive planetarisk geofysik, materialevidenskab og inerti indeslutningsfusion (ICF). I geofysik, tilstandsligningen for planetariske materialer som brint og jern under ultrahøjt tryk og tæthed vil give en bedre forståelse af deres dannelse og indre struktur.

I en tutorial tale under et virtuelt møde i American Physical Society Division of Plasma Physics i november, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fysiker Hye-Sook Park diskuterede de forskellige eksperimentelle teknikker og nøgleresultater af materielle tilstande under ekstrem høj energitæthed (HED) forhold baseret på arbejde udført på LLNL og andre faciliteter rundt om i verden. HED -betingelsen for materialestudier er defineret til at være højtrykstilstanden større end 100 gigapascal (GPa) eller 1 million gange højere end atmosfæretrykket ved havets overflade.

Værket præsenteret af Park er nu omtalt i et papir i Plasmas fysik .

"Dette papir giver et overblik over undersøgelsen af ​​højenergitæthed højtryksmaterialer, der beskriver deres nøglediagnostik og de vigtigste opdagelser, " sagde Park. "Dette papir er skrevet til dem, der ønsker at lære materialestudierne i HED-regimet på højt niveau."

Park sagde, at forskningen præsenteret i papiret er vigtig for mange områder inden for geofysik, materialevidenskab og lagerstyringsprogrammer. Forskningen vil også fortsætte på alle HED-faciliteter rundt om i verden, herunder næste generations faciliteter såsom petawatt-systemer med høj gentagelseshastighed og ny diagnostik såsom tidsopløsende røntgenbilledsystemer, der yderligere vil fremme viden om materialer under ekstreme forhold.

Papiret gennemgår resultaterne af fem områder, herunder ligningen for jerns tilstand, Jordens kernemateriale; brintisolator til metalovergang, der er vigtig for magnetfeltegenskaberne i de jovianske planeter; faseændringer i silicium og diamant ved meget højt tryk; vand i superionisk tilstand under højt tryk; og blystyrke under højt tryk.

Forståelse af ekstreme forhold

Park forklarede, at trykket i Jordens indre kerne er 350 gigapascal (GPa), eller 3,5 millioner gange højere end det atmosfæriske tryk ved havoverfladen. Under sådanne ekstreme forhold, planetariske materialer, som brint og silicium og almindelige materialer som bly, kan ændre deres tæthed, temperatur, atomar gitter strukturer og styrke. For eksempel, at studere tilstandsligningerne for forskellige planetariske materialer under ultrahøjt tryk og tæthed giver en bedre forståelse af Jordens dannelse og indre struktur. Forskere i HED-fysik undersøger, hvordan stoffets tilstande ændrer sig under ekstreme tryk:cirka 100 GPa til 10, 000 GPa, eller 1 million til 100 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk.

Forskere kan skabe ultrahøje tryk på HED-faciliteter såsom LLNL's National Ignition Facility (NIF), Linac Coherent Light Source (LCLS) ved SLAC National Accelerator Laboratory, Omega ved University of Rochester og Z-maskine ved Sandia National Laboratories til at udføre materialeundersøgelser under ekstreme forhold.

"Vi kan skabe ultrahøje tryk på disse faciliteter for at udføre materialeundersøgelser under ekstreme forhold ved hjælp af laserablationsdrev eller magnetisk drev, "Sagde Park.

Målingerne krævede at kombinere plasmafysikkens principper med den avancerede diagnostiske teknologi. Plasmafysikprincipperne er at skabe højtryksdrevene for at skabe enten chokeret eller rampet kompression.

Et eksempel på diagnostik inkluderer hastighedsinterferometersystemet for enhver reflektor (VISAR), der måler lydhastigheden på forskellige tykkelser af prøven for at måle tilstandsligningen, tryk og tæthedsforhold. Andre eksempler indbefatter den dynamiske diffraktion ved anvendelse af kvasi-monoenergetiske røntgenkilder fra enten lyskilden eller laserdrevne røntgenstråler; et røntgenspektrometer med ultrahøj opløsning til at forstå atomoscillationerne for at måle prøvetemperaturen; og højenergi røntgenstråler til at udføre en front-on radiografi på overfladeforstyrrelser vækst for at forstå materialets styrke.

Adskillige NIF eksperimenter og LCLS, Omega og Z er beskrevet i papiret. NIFs kraftfulde lasersystem, kombineret med udsøgt diagnostik, gør det muligt for forskere at nå et hidtil uset pres i laboratoriet og producere uventede/overraskende resultater, der begrænser teorier og modeller, som ikke var mulige uden eksperimentelle resultater.