Under pres:Fast stof påtager sig ny adfærd

At undersøge, hvordan fast stof opfører sig ved enorme tryk, som dem, der findes i det dybe indre af kæmpeplaneter, er en stor eksperimentel udfordring. For at hjælpe med at løse denne udfordring tog Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere og samarbejdspartnere et dybt dyk i at forstå disse ekstreme pres.

Værket er netop udgivet i Nature Physics med LLNL-videnskabsmanden Martin Gorman som hovedforfatter.

"Vores resultater repræsenterer et betydeligt eksperimentelt fremskridt; vi var i stand til at undersøge den strukturelle opførsel af magnesium (Mg) ved ekstreme tryk - over tre gange højere end ved Jordens kerne - som tidligere kun var tilgængelige teoretisk," sagde Gorman. "Vores observationer bekræfter teoretiske forudsigelser for Mg og viser, hvordan TPa-tryk - 10 millioner gange atmosfærisk tryk - tvinger materialer til at vedtage fundamentalt ny kemisk og strukturel adfærd."

Gorman sagde, at moderne beregningsmetoder har foreslået, at kerneelektroner bundet til naboatomer begynder at interagere ved ekstreme tryk, hvilket får de konventionelle regler for kemisk binding og krystalstrukturdannelse til at bryde ned.

"Måske den mest slående teoretiske forudsigelse er dannelsen af ​​højtryks-'elektrider' i elementære metaller, hvor valensbåndsfrie elektroner presses ind i lokaliserede tilstande i de tomme mellemrum mellem ioner for at danne pseudo-ioniske konfigurationer," sagde han. "Men at nå de nødvendige tryk, ofte over 1 TPa, er meget udfordrende eksperimentelt."

Gorman forklarede arbejdet ved at beskrive den bedste måde at arrangere bolde i en tønde. Konventionel visdom antyder, at atomer under tryk, ligesom kugler i en tønde, bør foretrække at stable så effektivt som muligt.

"For at passe til det maksimale antal bolde i en tønde, skal de stables så effektivt som muligt, såsom et sekskantet eller kubisk tætpakningsmønster," sagde Gorman. "Men selv de tætteste pakninger er kun 74 % effektive, og 26 % er stadig tom plads, så ved at inkludere mindre kugler i korrekt størrelse kan en mere effektiv pakning af kugler realiseres.

"Det, vores resultater tyder på, er, at under enormt tryk bliver valenselektronerne, som normalt er frie til at bevæge sig gennem Mg-metallet, lokaliseret i de tomme rum mellem atomer og danner dermed en næsten masseløs, negativt ladet ion," sagde han. "Nu er der kugler af to forskellige størrelser - positivt ladede Mg-ioner og negativt ladede lokaliserede valenselektroner - hvilket betyder, at Mg kan pakkes mere effektivt og således bliver sådanne "elektride"-strukturer energisk gunstige frem for tæt pakning."

Arbejdet beskrevet i papiret krævede seks skuddage på National Ignition Facility (NIF) mellem 2017 og 2019. Medlemmer af et internationalt samarbejde rejste til LLNL for at observere skudcyklussen og hjælpe med at analysere data i dagene efter hvert eksperiment.

De avancerede lasereksperimenter med høj effekt på NIF, kombineret med nanosekunds røntgendiffraktionsteknikker, giver det første eksperimentelle bevis – i ethvert materiale – på elektridestrukturer, der danner over 1 TPa.

"Vi rampe-komprimerede elementært Mg, vedligeholdt solid-state op til toptryk på 1,32 TPa (over tre gange trykket i jordens centrum), og observerede Mg transformere til fire nye krystalstrukturer," sagde Gorman. "De dannede strukturer er åbne og har ineffektiv atompakning, hvilket modsiger vores traditionelle forståelse af, at sfæriske atomer i krystaller skal pakkes mere effektivt med stigende kompression."

Men det er netop denne ineffektivitet af atomær pakning, der stabiliserer disse åbne strukturer ved ekstreme tryk, da det tomme rum er påkrævet for bedre at kunne rumme lokaliserede valenselektroner. Den direkte observation af åbne strukturer i Mg er det første eksperimentelle bevis på, hvordan valens-kerne og kerne-kerne elektroninteraktioner kan påvirke materialestrukturer ved TPa-tryk. Transformationen observeret mellem 0,96-1,32 TPa er den strukturelle faseovergang med det højeste tryk, der endnu er observeret i noget materiale, og den første ved TPa-tryk, ifølge forskerne.

Gorman sagde, at disse typer eksperimenter i øjeblikket kun kan udføres på NIF og åbner døren for nye forskningsområder. + Udforsk yderligere

Så meget pres som Uranus' kerne:Den første materialesynteseforskning og -undersøgelse i terapascal-området