Atomen gedragen zich heel anders wanneer ze worden samengeperst tot een druk van meer dan een miljoen - of zelfs een miljard - keer de atmosferische druk op aarde. Begrijpen hoe atomen reageren onder zulke hoge drukomstandigheden kan leiden tot de creatie van nieuwe materialen en wetenschappers waardevolle inzichten geven in de samenstelling van sterren en planeten, evenals het universum zelf.

Dat zijn enkele van de redenen waarom de Universiteit van Rochester haar aandacht heeft gericht op het relatief nieuwe veld van fysica met hoge energiedichtheid. Een andere reden is dat de universiteit goed in staat is om grote bijdragen aan het veld te leveren.

"Onze mensen en onze middelen plaatsen ons in een unieke positie om cruciale inzichten te verwerven op het gebied van fysica met hoge energiedichtheid, ", zegt Provost en Senior Vice President voor Onderzoek Rob Clark.

Rochester's laboratorium voor laser-energetica, bijvoorbeeld, is de thuisbasis van de OMEGA-laser. Met een lengte van 10 meter en een lengte van 100 meter, de OMEGA is 's werelds grootste universitaire laser.

Rochester heeft ook Gilbert "Rip" Collins aangeworven om een ​​nieuwe, multidisciplinair onderzoeksinitiatief voor fysica met hoge energiedichtheid. Collins was eerder de directeur van het Center for High-Energy-Density Physics van het Lawrence Livermore National Laboratory, en is nu hoogleraar bij de faculteit Werktuigbouwkunde en de faculteit Natuur- en Sterrenkunde, evenals senior wetenschapper aan het University's Laboratory for Laser Energetics. Collins zegt dat het initiatief "het gemakkelijker zal maken om samen te werken tussen chemie, Engineering, natuurkunde, en astronomie, " wat leidt tot snellere vooruitgang in het veld.

Collins studeert, onder andere, hoe atomen binden onder omstandigheden van extreme druk. Typisch, het zijn de buitenste elektronen van een atoom die reageren met de elektronen van andere atomen. Maar wanneer de druk op de atomen sterk wordt verhoogd, de innerlijke elektronen worden betrokken, en dat is wanneer de pret begint.

"Onder extreme druk de chemische eigenschappen van de elementen die we kennen, zijn niet langer van toepassing, " zegt hij. "We hebben nieuwe periodieke tabellen nodig voor verschillende drukomstandigheden."

Diamant is een bekend materiaal dat zich onder hoge druk vormt. Plaats koolstof 100 mijl diep in de aarde - waar de druk bijna 50 is, 000 keer groter dan wat er op het aardoppervlak bestaat en de temperaturen zijn hoger dan 2, 000 graden Fahrenheit - en de atomen worden zeer georganiseerd in een structuur die we een diamant noemen.

Toch bevindt dat drukniveau zich aan de onderkant van de schaal als het gaat om fysica met hoge energiedichtheid. Bij meer extreme druk, zoals twee miljoen atmosfeer, natrium wordt omgezet in een isolator; bij 10 miljoen atmosfeer, men gelooft dat waterstof kan worden omgezet in een supergeleidende superfluïde; en wanneer de druk hoger is dan 200 miljoen atmosfeer, het is wellicht mogelijk om aluminium transparant te maken.

Met de OMEGA-laser kunnen onderzoekers dergelijke drukken bereiken.

"Veel mensen zien lasers als een bron van intense hitte, ", zegt Collins. "Lasers kunnen ook werken als een bron van zeer gerichte druk, en de OMEGA-laser stelt ons in staat om materialen te bestuderen bij een druk van miljoenen tot miljarden atmosfeer." Als we begrijpen hoe atomen zich onder extreme druk gedragen, kunnen onderzoekers "doelbewust materie manipuleren om iets nieuws te vormen, exotische materialen, " hij voegt toe.

Robert Mc Crory, vice-president en directeur van het Laboratorium voor Laser Energetica, zegt Collins, die een internationale reputatie geniet, "is uitstekend geschikt om de inspanning aan de universiteit te leiden." Hij merkt op dat faciliteiten zoals het laserlab, de National Ignition Facility in Lawrence Livermore, waar Collins eerder werkte, evenals de Z-machine bij Sandia National Laboratories, "hebben de nieuwe grens van de fysica met hoge energiedichtheid geopend" en het Amerikaanse leiderschap in het veld veiliggesteld.

Maar natuurkunde met hoge energiedichtheid houdt nog meer in dan het creëren van nieuwe materialen. Michaël Campbell, adjunct-directeur van het Laboratorium voor Laser Energetica, noemt het veld een 'blijvende wetenschap'.

"Er zullen altijd nieuwe gebieden zijn om te verkennen, inclusief de aard van het universum zelf, " zegt hij. "De druk in het centrum van planeten overschrijdt miljoenen atmosferen en honderden miljarden voor sterren. Fysica met hoge energiedichtheid kan de sleutel zijn om ons te helpen te leren waaruit planeten en sterren zijn gemaakt, of, zoals aarde, ze hebben magnetische velden, en hoe straling en energie stromen binnen onze zon en andere sterren."