Gli atomi si comportano in modo molto diverso quando vengono schiacciati a pressioni superiori a un milione, o addirittura un miliardo, di volte la pressione atmosferica sulla Terra. Comprendere come gli atomi reagiscono in condizioni di pressione così elevata può portare alla creazione di nuovi materiali e fornire agli scienziati preziose informazioni sulla costituzione di stelle e pianeti, così come l'universo stesso.

Questi sono tra i motivi per cui l'Università di Rochester ha rivolto la sua attenzione al campo relativamente nuovo della fisica ad alta densità di energia. Un'altra ragione è che l'Università è pronta a dare importanti contributi al campo.

"Le nostre persone e le nostre risorse ci mettono in una posizione unica per acquisire informazioni cruciali nel campo della fisica ad alta densità di energia, " afferma il rettore e vicepresidente senior per la ricerca Rob Clark.

Laboratorio di Rochester per l'energia laser, Per esempio, ospita il laser OMEGA. A 10 metri di altezza e 100 metri di lunghezza, l'OMEGA è il laser universitario più grande del mondo.

Rochester ha anche reclutato Gilbert "Rip" Collins per guidare un nuovo, iniziativa di ricerca multidisciplinare per la fisica ad alta densità di energia. Collins è stato in precedenza il direttore del Centro per la fisica ad alta densità di energia del Lawrence Livermore National Laboratory, ed è ora professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e il Dipartimento di Fisica e Astronomia, nonché scienziato senior presso il Laboratorio di Energetica Laser dell'Università. Collins afferma che l'iniziativa "renderà più facile la collaborazione tra chimica, ingegneria, fisica, e astronomia, " portando a progressi più rapidi nel campo.

Studi Collins, tra l'altro, come gli atomi si legano in condizioni di estrema pressione. Tipicamente, sono gli elettroni più esterni di un atomo che reagiscono con gli elettroni di altri atomi. Ma quando la pressione sugli atomi è notevolmente aumentata, gli elettroni interni vengono coinvolti, ed è allora che inizia il divertimento.

"Sotto estrema pressione, le proprietà chimiche degli elementi che conosciamo non si applicano più, " dice. "Abbiamo bisogno di nuove tavole periodiche per diverse condizioni di pressione".

Il diamante è un materiale ben noto che si forma ad alta pressione. Metti il ​​carbonio a 100 miglia di profondità nella terra, dove la pressione è quasi 50, 000 volte maggiore di quello che esiste sulla superficie terrestre e le temperature sono superiori a 2, 000 gradi Fahrenheit e gli atomi diventano altamente organizzati in una struttura che chiamiamo diamante.

Eppure quel livello di pressione è all'estremità inferiore della scala quando si tratta di fisica ad alta densità di energia. A pressioni più estreme, come due milioni di atmosfere, il sodio viene convertito in un isolante; a 10 milioni di atmosfere, si crede che l'idrogeno possa essere trasformato in un superfluido superconduttore; e quando le pressioni superano i 200 milioni di atmosfere, potrebbe essere possibile rendere trasparente l'alluminio.

Il laser OMEGA consente ai ricercatori di raggiungere tali pressioni.

"Molte persone pensano ai laser come a una fonte di calore intenso, " dice Collins. "I laser possono anche funzionare come fonte di pressione altamente focalizzata, e il laser OMEGA ci consente di studiare materiali a pressioni da milioni a miliardi di atmosfere." Comprendere come si comportano gli atomi sotto pressioni estreme consentirà ai ricercatori "di manipolare intenzionalmente la materia per formare qualcosa di nuovo, materiali esotici, " Aggiunge.

Robert McCrory, vicepresidente e direttore del Laboratorio di Energetica Laser, dice Collins, che gode di una reputazione internazionale, "è superbamente in grado di guidare lo sforzo all'Università." Nota che strutture come il laboratorio laser, il National Ignition Facility a Lawrence Livermore, dove Collins è stato impiegato prima, così come la macchina Z dei Laboratori Nazionali Sandia, "hanno aperto la nuova frontiera della fisica ad alta densità di energia" e hanno assicurato la leadership americana nel campo.

Ma c'è ancora di più nella fisica ad alta densità energetica che nella creazione di nuovi materiali. Michael Campbell, vicedirettore del Laboratorio di Energetica Laser, chiama il campo una "scienza duratura".

"Ci saranno sempre nuove aree da esplorare, compresa la natura dell'universo stesso, " dice. "La pressione al centro dei pianeti supera milioni di atmosfere e centinaia di miliardi per le stelle. La fisica ad alta densità di energia può essere la chiave per aiutarci a imparare di cosa sono fatti i pianeti e le stelle, se, come la terra, hanno campi magnetici, e come le radiazioni e l'energia fluiscono all'interno del nostro sole e delle altre stelle."