I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno esplorato il comportamento ad alta pressione del tantalio compresso dagli urti presso l'Omega Laser Facility presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester. Il lavoro ha mostrato che il tantalio non ha seguito i cambiamenti di fase previsti ad alta pressione e ha invece mantenuto la fase cubica a corpo centrato (BCC) fino alla fusione.

I risultati del lavoro sono presentati in a Lettere di revisione fisica documento e si concentra su come i ricercatori hanno studiato il comportamento di fusione del tantalio a pressioni multi-megabar su una scala temporale di nanosecondi.

"Questo lavoro fornisce una migliore intuizione fisica su come i materiali si fondono e rispondono a condizioni così estreme, "ha detto Rick Kraus, autore principale del paper. "Queste tecniche e una migliore base di conoscenze vengono ora applicate per comprendere come si solidificano i nuclei di ferro dei pianeti rocciosi e anche a materiali più rilevanti dal punto di vista programmatico".

Kraus ha affermato che la ricerca ha risolto una controversia di lunga data sul diagramma di fase ad alta pressione e alta temperatura del tantalio, mostrando che BCC è la fase stabile ad alte pressioni e la curva di fusione è più ripida rispetto a molte misurazioni precedenti.

Al di là dell'importanza scientifica del diagramma di fase del tantalio stesso, questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio per sviluppare piattaforme di compressione dinamica per limitare con precisione le transizioni di fusione e solidificazione. Questi sforzi aiutano a garantire che i ricercatori simulino correttamente queste transizioni quando prevedono i risultati di un evento dinamico come la formazione di un cratere da impatto o l'accelerazione di un ablatore presso il National Ignition Facility.

Questo lavoro rappresenta una nuova frontiera per la caratterizzazione in situ di materiali in condizioni estreme. In precedenti esperimenti, la fusione sotto compressione d'urto era stata dedotta indirettamente da cambiamenti discontinui nella velocità d'urto o nelle proprietà ottiche. "Essere in grado di 'guardare' la struttura trasformarsi da solido a liquido è estremamente eccitante, " aggiunge Federica Coppari, coautore dello studio.

Con la chiara determinazione dei ricercatori del fuso in condizioni così estreme e su esperimenti a breve termine, il team ha contribuito a limitare il comportamento della fusione dipendente dal tempo e ha scoperto che esperimenti dinamici come questi osservano il confine della fase di equilibrio.

Gli esperimenti hanno utilizzato un singolo raggio del laser Omega per generare una forte onda d'urto nel campione di tantalio. Il team ha creato una sorgente di raggi X al plasma per le misurazioni della diffusione dei raggi X utilizzando altri 12 raggi. In ogni esperimento successivo, la squadra ha aumentato la forza dell'onda d'urto nel campione, valutare lo stato del tantalio utilizzando la diagnostica per diffrazione dei raggi X, chiamata lastra ai raggi X per diffrazione delle polveri (PXRDIP).

"Abbiamo osservato una transizione dal solido BCC, ad una fase mista di BCC e tantalio liquido, al tantalio completamente liquido, "Ha detto Kraus. "Utilizzando le pressioni di transizione che abbiamo ottenuto da questi esperimenti, e precedenti informazioni sull'equazione di stato sul tantalio, siamo stati anche in grado di limitare la temperatura di fusione del tantalio."

Il tantalio è stato oggetto di studi straordinari ad alta pressione con misurazioni discrepanti della curva di fusione. "Perciò, è importante per noi essere in grado di risolvere le controversie in materiali altamente studiati in modo da poter garantire che stiamo utilizzando le giuste tecniche accettate dalla comunità di ricerca, " Egli ha detto.