Le proprietà dei materiali in condizioni estreme rivestono un interesse fondamentale in numerosi campi, compresa la geofisica planetaria, scienza dei materiali e fusione a confinamento inerziale (ICF). In geofisica, l'equazione di stato dei materiali planetari come l'idrogeno e il ferro ad altissima pressione e densità fornirà una migliore comprensione della loro formazione e struttura interna.

In un discorso tutorial durante una riunione virtuale dell'American Physical Society Division of Plasma Physics a novembre, Il fisico del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Hye-Sook Park ha discusso le varie tecniche sperimentali e i risultati chiave degli stati dei materiali in condizioni di estrema densità di energia (HED) sulla base del lavoro condotto presso LLNL e altre strutture in tutto il mondo. La condizione HED per gli studi sui materiali è definita come la condizione di alta pressione superiore a 100 gigapascal (GPa) o 1 milione di volte superiore alla pressione atmosferica a livello del mare.

Il lavoro presentato da Park è ora presente in un paper in Fisica dei Plasmi .

"Questo documento fornisce una panoramica dello studio sui materiali ad alta pressione ad alta densità di energia che descrive la loro diagnostica chiave e le scoperte chiave, " Park ha detto. "Questo documento è scritto per coloro che vogliono imparare gli studi materiali nel regime HED ad alto livello".

Park ha affermato che la ricerca presentata nel documento è importante per molte aree della geofisica, scienza dei materiali e programmi di gestione delle scorte. La ricerca continuerà anche su tutte le strutture HED nel mondo, comprese le strutture di nuova generazione come i sistemi petawatt ad alta frequenza di ripetizione e la nuova diagnostica come i sistemi di imaging a raggi X a risoluzione temporale che miglioreranno ulteriormente la conoscenza dei materiali in condizioni estreme.

Il documento esamina i risultati di cinque aree tra cui l'equazione di stato del ferro, il materiale del nucleo terrestre; isolante da idrogeno a transizione metallica che è importante per le proprietà del campo magnetico nei pianeti gioviani; cambiamenti di fase in silicio e diamante ad altissima pressione; acqua allo stato superionico ad alta pressione; e la forza del piombo ad alta pressione.

Capire le condizioni estreme

Park ha spiegato che la pressione del nucleo interno della Terra è di 350 gigapascal (GPa), o 3,5 milioni di volte superiore alla pressione atmosferica a livello del mare. In condizioni così estreme, materiali planetari, come idrogeno e silicio e materiali comuni come piombo, possono cambiare la loro densità, temperatura, strutture reticolari atomiche e forza. Per esempio, lo studio delle equazioni di stato di diversi materiali planetari ad altissima pressione e densità fornisce una migliore comprensione della formazione e della struttura interna della Terra. Gli scienziati della fisica HED studiano come cambiano gli stati della materia sotto pressioni estreme:da circa 100 GPa a 10, 000 GPa, o da 1 milione a 100 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre.

I ricercatori possono creare pressioni ultraelevate presso le strutture HED come il National Ignition Facility (NIF) di LLNL, Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, Omega presso l'Università di Rochester e Z machine presso i Sandia National Laboratories per condurre studi sui materiali in condizioni estreme.

"Possiamo creare pressioni ultraelevate in queste strutture per condurre studi sui materiali in condizioni estreme utilizzando unità di ablazione laser o unità magnetiche, " ha detto Parco.

Le misurazioni hanno richiesto la combinazione dei principi della fisica del plasma con la tecnologia diagnostica avanzata. I principi della fisica del plasma consistono nel creare gli azionamenti ad alta pressione per creare una compressione shock o rampa.

Un esempio di diagnostica include il sistema interferometro di velocità per qualsiasi riflettore (VISAR) che misura la velocità del suono su diversi spessori di campione per misurare l'equazione di stato, relazione pressione e densità. Altri esempi includono la diffrazione dinamica che utilizza sorgenti di raggi X quasi monoenergetiche provenienti dalla sorgente luminosa o dai raggi X guidati da laser; uno spettrometro a raggi X ad altissima risoluzione per comprendere le oscillazioni atomiche per misurare la temperatura del campione; e la radiografia a raggi X ad alta energia per eseguire una radiografia frontale sulla crescita delle perturbazioni della superficie per comprendere la forza del materiale.

Diversi esperimenti NIF e LCLS, Omega e Z sono descritti nel documento. Il potente sistema laser di NIF, insieme a una diagnostica squisita, consente agli scienziati di raggiungere pressioni senza precedenti in laboratorio e produrre risultati inaspettati/sorprendenti che limitano teorie e modelli che non sarebbero stati possibili senza risultati sperimentali.