Un nuovo dispositivo ad alta pressione super veloce presso la sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY consente agli scienziati di simulare e studiare terremoti e impatti di meteoriti in modo più realistico in laboratorio. La cella a incudine diamantata dinamica di nuova generazione (dDAC), sviluppato da scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), DESY, la sorgente europea di radiazioni di sincrotrone ESRF, e le università di Oxford, Bayreuth e Francoforte sul Meno, comprime i campioni più velocemente di qualsiasi dispositivo simile prima. Lo strumento può aumentare la pressione alla velocità record di 1,6 miliardi di atmosfere al secondo (160 terapascal al secondo, TPa/s) e può essere utilizzato per un'ampia gamma di studi dinamici ad alta pressione. Gli sviluppatori presentano il loro nuovo dispositivo, che ha già dimostrato le sue capacità in vari esperimenti sui materiali, nel diario Rassegna di strumenti scientifici .

"Per più di mezzo secolo la cella a incudine di diamante o DAC è stata lo strumento principale per creare alte pressioni statiche per studiare la fisica e la chimica dei materiali in quelle condizioni estreme, ad esempio per esplorare le proprietà fisiche dei materiali al centro della Terra a 3,5 milioni di atmosfere, " ha affermato l'autore principale Zsolt Jenei di LLNL. Per simulare processi dinamici veloci come terremoti e impatti di asteroidi in modo più realistico con tassi di compressione elevati in laboratorio, La squadra di Jenei, in collaborazione con gli scienziati DESY, ora ha sviluppato una nuova generazione di celle a incudine diamantate a guida dinamica (dDAC), ispirato al pionieristico design originale LLNL, e lo ha accoppiato con il nuovo setup di diffrazione a raggi X veloce della Extreme Condition Beamline P02.2 a PETRA III.

La nuova cella a incudine diamantata dinamica è composta da due piccoli diamanti brillanti modificati che vengono spinti insieme da un potente motore piezoelettrico. Grazie a miglioramenti come gli attuatori piezoelettrici molto più potenti e veloci, amplificatori ad alta corrente di picco il nuovo dispositivo è in grado di comprimere i piccoli campioni tra le incudini di diamante più di mille volte più velocemente rispetto agli strumenti precedenti.

Per studiare i cambiamenti nelle proprietà fisiche dei materiali ad alta pressione, gli scienziati illuminano i raggi X sui piccoli campioni e registrano il modo in cui i raggi X vengono diffratti dal materiale. Questi modelli di diffrazione consentono di calcolare la struttura interna del materiale. Però, per scattare istantanee di processi dinamici ad alta velocità, il flash a raggi X deve essere sufficientemente luminoso e la fotocamera, il rivelatore, deve essere abbastanza veloce.

"Da quasi dieci anni, dalla prima invenzione del dDAC presso il nostro Laboratorio, è stato estremamente difficile condurre esperimenti di diffrazione veloce a causa della mancanza di flusso di fotoni e più importanti rivelatori di diffrazione di raggi X ad alta energia veloci e altamente sensibili, " ha spiegato Jenei. Solo con l'avvento delle sorgenti di raggi X estremamente luminose di terza generazione come PETRA III e lo sviluppo di fotocamere altamente sensibili come il rivelatore Lambda di arseniuro di gallio (GaAs) inventato dal gruppo di rivelatori DESY è diventato possibile raccogliere immagini di diffrazione con tempi di esposizione brevi e risoluzione temporale adeguati.

La Extreme Condition Beamline (ECB) di DESY ha i primi due rivelatori GaAs Lambda al mondo. "Azionandoli con un ritardo di 0,25 millisecondi, siamo in grado di raccogliere fino a 4000 frame al secondo, " ha detto Hanns-Peter Liermann, lo scienziato della linea di luce responsabile della BCE. I rilevatori sono stati finanziati attraverso un progetto di ricerca congiunto assegnato dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca BMBF alla Goethe University di Francoforte, dove Björn Winkler è l'investigatore principale.

I ricercatori che lavorano al progetto hanno dimostrato le prestazioni e la versatilità della configurazione sperimentale con studi di compressione rapida di metalli pesanti come oro e bismuto, nonché composti leggeri come ghiaccio (H2O), e materiali planetari come ferropericlasio ((Mg0.8Fe0.2)O). Mentre conduceva esperimenti di diffrazione rapida sull'oro, il team ha dimostrato un aumento della pressione da 1000 atmosfere a 1, 400, 000 atmosfere in soli 2,5 millisecondi (millesimo di secondo), con conseguente tasso di compressione massimo di 160 TPa/s. In questo tempo estremamente breve, i rivelatori hanno raccolto otto modelli di diffrazione lungo l'intero percorso di compressione.

"Crediamo che con la configurazione esistente possiamo migliorare i tassi di compressione a forse migliaia di terapascal al secondo, " ha detto Liermann. Tuttavia, questo richiederà flash a raggi X ancora più luminosi e fotocamere ancora più veloci come quelle fornite da entrambi, il previsto aggiornamento di PETRA III a una sorgente di raggi X di nuova generazione PETRA IV e la stazione sperimentale ad alta densità di energia (HED) presso il laser a raggi X europeo European XFEL, dove DESY sta partecipando alla costruzione di una configurazione dDAC come parte del consorzio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF).