IJzer is het meest stabiele en zwaarste chemische element geproduceerd door nucleosynthese in sterren, waardoor het het meest voorkomende zware element in het universum en in het binnenste van de aarde en andere rotsachtige planeten is.

Om een ​​beter begrip te krijgen van het hogedrukgedrag van ijzer, een natuurkundige van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en internationale medewerkers ontdekten de subnanoseconde fase-overgangen in laser-geschokt ijzer. Het onderzoek verschijnt in de 5 juni-editie van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Het onderzoek kan wetenschappers helpen de fysica beter te begrijpen, chemie en de magnetische eigenschappen van de aarde en andere planeten door in de tijd opgeloste röntgendiffractie met hoge resolutie te meten gedurende de gehele duur van schokcompressie. Dit maakt observatie mogelijk van de timing van het begin van elastische compressie bij 250 picoseconden en de afgeleide observatie van driegolfstructuren tussen 300-600 picoseconden. De röntgendiffractie laat zien dat de beroemde fasetransformatie van ijzer uit de omgeving (Fe) naar Fe onder hoge druk plaatsvindt binnen 50 picoseconden.

Bij omgevingsomstandigheden, metallisch ijzer is stabiel als een lichaamsgecentreerde kubieke vorm, maar als de druk stijgt tot boven 13 gigapascal (130, 000 keer de atmosferische druk op aarde), ijzer transformeert in een niet-magnetische zeshoekige dicht opeengepakte structuur. Deze transformatie is diffusieloos, en wetenschappers kunnen het naast elkaar bestaan ​​van zowel de omgevings- als de hogedrukfase zien.

Er zijn nog steeds discussies over de locaties van de fasegrenzen van ijzer en de kinetiek van deze faseovergang.

Het team gebruikte een combinatie van een optische laserpomp en X-ray Free Electron Laser (XFEL) sonde om de atomaire structurele evolutie van schokgecomprimeerd ijzer te observeren met een ongekende tijdresolutie. ongeveer 50 picoseconden onder hoge druk. De techniek toonde alle bekende structuurtypes van ijzer.

Teamleden ontdekten zelfs het verschijnen van nieuwe fasen na 650 picoseconden met dichtheden gelijk aan of zelfs lager dan die van de omgevingsfase.

"Dit is de eerste directe en volledige waarneming van schokgolfvoortplanting in verband met de kristalstructuurveranderingen die zijn vastgelegd door hoogwaardige tijdreeksgegevens, " zei LLNL-natuurkundige Hyunchae Cynn, een co-auteur van het artikel.

Het team observeerde drie-golf temporele evolutie door de elastische, plastic en de vervormingsfaseovergang naar de hogedrukfase, gevolgd door postcompressiefasen als gevolg van verdunningsgolven in intervallen van 50 picoseconden tussen 0 en 2,5 nanoseconden na bestraling met de optische laser.

Verdere experimenten kunnen leiden tot een beter begrip van hoe rotsachtige planeten zijn gevormd of dat ze een magma-oceaan in het binnenland hebben.