Le strutture esotiche di magnesio (Mg) osservate a pressioni estreme (oltre tre volte la pressione centrale della Terra) presso la National Ignition Facility supportano teorie decennali secondo cui le forze della meccanica quantistica localizzerebbero la densità elettronica di valenza (oro) negli spazi tra gli atomi di Mg (grigio) per formare "elettrodi". Credito:Adam Connell/LLNL
Indagare come si comporta la materia solida a pressioni enormi, come quelle che si trovano nelle profondità interne dei pianeti giganti, è una grande sfida sperimentale. Per aiutare ad affrontare questa sfida, i ricercatori e i collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno approfondito la comprensione di queste pressioni estreme.
Il lavoro è stato appena pubblicato su Nature Physics con lo scienziato LLNL Martin Gorman come autore principale.
"I nostri risultati rappresentano un significativo progresso sperimentale; siamo stati in grado di studiare il comportamento strutturale del magnesio (Mg) a pressioni estreme, oltre tre volte superiori rispetto al nucleo terrestre, che in precedenza erano accessibili solo in teoria", ha affermato Gorman. "Le nostre osservazioni confermano le previsioni teoriche per il Mg e dimostrano come le pressioni del TPa, 10 milioni di volte la pressione atmosferica, costringano i materiali ad adottare comportamenti chimici e strutturali fondamentalmente nuovi."
Gorman ha affermato che i moderni metodi di calcolo hanno suggerito che gli elettroni del nucleo legati agli atomi vicini iniziano a interagire a pressioni estreme, causando la rottura delle regole convenzionali del legame chimico e della formazione della struttura cristallina.
"Forse la previsione teorica più sorprendente è la formazione di 'elettroni' ad alta pressione nei metalli elementari, in cui gli elettroni liberi della banda di valenza vengono compressi in stati localizzati all'interno degli spazi vuoti tra gli ioni per formare configurazioni pseudo-ioniche", ha detto. "Ma raggiungere le pressioni richieste, spesso superiori a 1 TPa, è molto impegnativo sperimentalmente".
Gorman ha spiegato il lavoro descrivendo il modo migliore per disporre le palle in una botte. La saggezza convenzionale suggerisce che gli atomi sotto pressione, come le palline in un barile, dovrebbero preferire impilarsi nel modo più efficiente possibile.
"Per inserire il numero massimo di palline in una canna, devono essere impilate nel modo più efficiente possibile, come uno schema di imballaggio ravvicinato esagonale o cubico", ha detto Gorman. "Ma anche le confezioni più vicine sono efficienti solo per il 74% e il 26% è ancora spazio vuoto, quindi includendo palline più piccole di dimensioni corrette è possibile realizzare un confezionamento delle palline più efficiente.
"Quello che i nostri risultati suggeriscono è che sotto un'immensa pressione gli elettroni di valenza, che normalmente sono liberi di muoversi attraverso il metallo Mg, si localizzano negli spazi vuoti tra gli atomi e quindi formano uno ione quasi privo di massa e caricato negativamente", ha detto. "Ora ci sono sfere di due diverse dimensioni - ioni Mg con carica positiva ed elettroni di valenza localizzati con carica negativa - il che significa che il Mg può impacchettarsi in modo più efficiente e quindi tali strutture 'elettriche' diventano energeticamente favorevoli rispetto a un imballaggio ravvicinato."
Il lavoro descritto nel documento ha richiesto sei giorni di iniezione presso la National Ignition Facility (NIF) tra il 2017 e il 2019. I membri di una collaborazione internazionale si sono recati a LLNL per osservare il ciclo di iniezione e aiutare ad analizzare i dati nei giorni successivi a ciascun esperimento.
Gli esperimenti laser ad alta potenza all'avanguardia sul NIF, insieme a tecniche di diffrazione di raggi X in nanosecondi, forniscono la prima prova sperimentale, in qualsiasi materiale, di strutture di elettruro che si formano al di sopra di 1 TPa.
"Abbiamo compresso in rampa il Mg elementare, mantenendo lo stato solido fino a pressioni di picco di 1,32 TPa (oltre tre volte la pressione al centro della Terra) e abbiamo osservato la trasformazione del Mg in quattro nuove strutture cristalline", ha detto Gorman. "Le strutture formate sono aperte e hanno un impaccamento atomico inefficiente, il che contraddice la nostra comprensione tradizionale secondo cui gli atomi sferici nei cristalli dovrebbero impacchettarsi in modo più efficiente con l'aumento della compressione".
Tuttavia, è proprio questa inefficienza dell'imballaggio atomico che stabilizza queste strutture aperte a pressioni estreme, poiché lo spazio vuoto è necessario per accogliere meglio gli elettroni di valenza localizzati. L'osservazione diretta di strutture aperte in Mg è la prima prova sperimentale di come le interazioni di elettroni di valenza-core e core-core possano influenzare le strutture dei materiali alle pressioni del TPa. La trasformazione osservata tra 0,96-1,32 TPa è la transizione di fase strutturale con la pressione più alta mai osservata in qualsiasi materiale e la prima a pressioni TPa, secondo i ricercatori.
Gorman ha affermato che questi tipi di esperimenti possono attualmente essere condotti solo presso il NIF e aprono le porte a nuove aree di ricerca. + Esplora ulteriormente
