Per testare il Modello Standard della fisica delle particelle, gli scienziati spesso fanno scontrare particelle usando anelli sotterranei giganteschi. In modo simile, i fisici dell'alta pressione comprimono i materiali a pressioni sempre maggiori per testare ulteriormente la teoria quantistica della materia condensata e sfidare le previsioni fatte utilizzando i computer più potenti.

Pressioni superiori a 1 milione di atmosfere sono in grado di deformare drammaticamente le nuvole elettroniche atomiche e alterare il modo in cui gli atomi sono impacchettati insieme. Questo porta a nuovi legami chimici e ha rivelato comportamenti straordinari come pioggia di elio, la trasformazione del sodio in un metallo trasparente, l'emergere del ghiaccio d'acqua superionico e la trasformazione dell'idrogeno in un fluido metallico.

Con nuove tecniche che avanzano costantemente la frontiera della fisica ad alta pressione, Le pressioni terapascal (TPa) che una volta erano inaccessibili possono ora essere ottenute in laboratorio utilizzando la compressione statica o dinamica (1 TPa è equivalente a circa 10 milioni di atmosfere).

Però, la determinazione accurata e precisa della pressione aggiunge un ulteriore livello di complessità agli esperimenti in condizioni estreme. Molte di queste tecniche si basano su uno standard di pressione calibrato. Fino ad ora, la maggior parte degli esperimenti si basava su estrapolazioni di misurazioni di calibrazione a bassa pressione o modelli teorici per determinare la pressione in condizioni così estreme.

Scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), I Sandia National Laboratories e l'Università di Hyogo hanno cambiato questa situazione eseguendo esperimenti presso il laser più energetico del mondo:il National Ignition Facility (NIF) di LLNL a Livermore, California, e il più potente impianto di energia a impulsi del mondo:la Z Machine di Sandia ad Albuquerque, Nuovo Messico.

Utilizzando un nuovo approccio, soprannominato shockless o compressione a rampa, il team ha determinato come l'oro e il platino si comprimono quando vengono schiacciati a 1 TPa con una precisione estremamente elevata. Quindi, hanno usato i loro dati per derivare nuove scale di pressione a 1 TPa. La ricerca è stata pubblicata oggi in Scienza e presenti in una speciale sezione "Prospettive".

"Il NIF e la macchina Z sono strutture uniche. Abbiamo davvero spinto la loro capacità di eseguire la misurazione più precisa possibile, " disse Dayne Fratduono, Fisico LLNL e autore principale della pubblicazione. "Per eseguire una compressione senza shock, usiamo diversi raggi laser o la fonte di energia pulsata per spremere gradualmente il nostro campione. Ma la chiave è controllare molto attentamente la velocità con cui aumentiamo la pressione sul campione, per evitare di formare un'onda d'urto che rovinerebbe l'esperimento. E devi tenere a mente che l'intero esperimento dura molto meno di un milionesimo di secondo".

"Il trucco è che la maggior parte dei materiali diventa più rigida quando vengono compressi, quindi tutto ciò che dobbiamo fare è indovinare di quanto, e poi trova una macchina che non solo fornisca abbastanza potenza ma anche abbastanza controllo per realizzare l'esperimento, "aggiunse Marius Millot, LLNL fisico e coautore.

Secondo Fratduono, c'erano molte altre aree che erano fondamentali per raggiungere l'alto livello di accuratezza degli esperimenti:un incredibile livello di precisione nella lavorazione di passaggi di dimensioni micron sui target; la misurazione di tali passaggi; e misurazioni della velocimetria ultraveloce che hanno permesso al team di ricerca di determinare come viene compresso il campione.

"Questo è davvero il culmine di più decenni di sviluppi tecnologici, " Ha detto Fratanduono. "Ci sono voluti diversi anni di sviluppo per raggiungere questo livello di maturità negli esperimenti e combinando i vantaggi individuali di NIF e Z, i due migliori impianti ad alta densità energetica, è stata anche la chiave per limitare in modo molto stretto la risposta materiale dell'oro e del platino".

Il team prevede che queste nuove scale di pressione consentiranno ad altri scienziati di tutto il mondo di eppure precisamente, determinare la pressione nei loro esperimenti semplicemente misurando la densità di un pezzo d'oro o di platino compresso insieme al loro campione di interesse.

"Questo è un enorme passo avanti perché con una determinazione della pressione molto migliore negli esperimenti, saremo in grado di testare davvero le previsioni teoriche e le simulazioni quantistiche di benchmark realizzate con i computer più potenti del mondo, " Ha detto Fratanduono. "Questo fornirà una solida base per future scoperte utilizzando la compressione statica e dinamica mentre continuiamo a testare la nostra comprensione della teoria quantistica della materia condensata, un'area di ricerca attiva alla congiunzione della fisica della materia condensata, scienza dei materiali e chimica quantistica. Poiché il nostro lavoro consentirà misurazioni più precise delle proprietà dei costituenti planetari alle relative pressioni TPa, ci aspettiamo anche di attirare l'interesse dei geofisici, scienziati planetari e astronomi."