Il ferro è l'elemento chimico più stabile e più pesante prodotto dalla nucleosintesi nelle stelle, rendendolo l'elemento pesante più abbondante nell'universo e negli interni della Terra e di altri pianeti rocciosi.

Per comprendere meglio il comportamento del ferro ad alta pressione, un fisico del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e collaboratori internazionali hanno scoperto le transizioni di fase al subnanosecondo nel ferro sottoposto a shock laser. La ricerca compare nell'edizione del 5 giugno della rivista Progressi scientifici .

La ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la fisica, chimica e le proprietà magnetiche della Terra e di altri pianeti misurando le diffrazioni di raggi X ad alta risoluzione risolte nel tempo per l'intera durata della compressione d'urto. Ciò consente l'osservazione dei tempi dell'inizio della compressione elastica a 250 picosecondi e l'osservazione dedotta di strutture a tre onde tra 300-600 picosecondi. La diffrazione dei raggi X rivela che la famosa trasformazione di fase dal ferro ambientale (Fe) al Fe ad alta pressione avviene entro 50 picosecondi.

A condizioni ambientali, il ferro metallico è stabile come forma cubica a corpo centrato, ma quando le pressioni salgono al di sopra di 13 gigapascal (130, 000 volte la pressione atmosferica sulla Terra), il ferro si trasforma in una struttura compatta esagonale non magnetica. Questa trasformazione è senza diffusione, e gli scienziati possono vedere la coesistenza di entrambe le fasi ambiente e ad alta pressione.

Ci sono ancora dibattiti sulle posizioni dei confini di fase del ferro e sulla cinetica di questa transizione di fase.

Il team ha utilizzato una combinazione di una pompa laser ottica e una sonda laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) per osservare l'evoluzione strutturale atomica del ferro compresso per urti con una risoluzione temporale senza precedenti, circa 50 picosecondi ad alta pressione. La tecnica ha mostrato tutti i tipi di struttura conosciuti del ferro.

I membri del team hanno persino scoperto la comparsa di nuove fasi dopo 650 picosecondi con densità simili o addirittura inferiori a quella della fase ambientale.

"Questa è la prima osservazione diretta e completa della propagazione delle onde d'urto associata ai cambiamenti strutturali del cristallo registrati da dati di serie temporali di alta qualità, " ha detto il fisico LLNL Hyunchae Cynn, un coautore del documento.

Il team ha osservato l'evoluzione temporale a tre onde da parte dell'elastico, plastica e la fase di transizione deformativa alla fase di alta pressione, seguite da fasi di post compressione dovute a onde di rarefazione in intervalli di 50 picosecondi tra 0 e 2,5 nanosecondi dopo l'irradiazione con il laser ottico.

Ulteriori esperimenti potrebbero portare a una migliore comprensione di come si sono formati i pianeti rocciosi o se hanno un oceano di magma all'interno.