Om het standaardmodel van deeltjesfysica te testen, wetenschappers botsen vaak deeltjes met behulp van gigantische ondergrondse ringen. Op een vergelijkbare manier, hogedrukfysici comprimeren materialen tot een steeds grotere druk om de kwantumtheorie van gecondenseerde materie verder te testen en voorspellingen uit te dagen die zijn gemaakt met behulp van de krachtigste computers.

Drukken van meer dan 1 miljoen atmosfeer kunnen atomaire elektronische wolken dramatisch vervormen en veranderen hoe atomen samengepakt worden. Dit leidt tot nieuwe chemische bindingen en heeft buitengewone gedragingen aan het licht gebracht, zoals heliumregen, de transformatie van natrium in een transparant metaal, de opkomst van superionisch waterijs en de transformatie van waterstof in een metallische vloeistof.

Met nieuwe technieken die voortdurend de grens van de hogedrukfysica verleggen, terapascal (TPa)-drukken die ooit onbereikbaar waren, kunnen nu in het laboratorium worden bereikt met statische of dynamische compressie (1 TPa komt overeen met ongeveer 10 miljoen atmosfeer).

Echter, het nauwkeurig en precies bepalen van de druk voegt nog een extra niveau van complexiteit toe aan experimenten onder extreme omstandigheden. Veel van deze technieken zijn gebaseerd op een gekalibreerde drukstandaard. Tot nu, de meeste experimenten waren gebaseerd op extrapolaties van kalibratiemetingen bij lage druk of theoretische modellen om de druk bij dergelijke extreme omstandigheden te bepalen.

Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories en de University of Hyogo hebben daar verandering in gebracht door experimenten uit te voeren op 's werelds meest energetische laser - LLNL's National Ignition Facility (NIF) in Livermore, Californië - en 's werelds krachtigste gepulseerde stroomvoorziening - Sandia's Z Machine in Albuquerque, New Mexico.

Door een nieuwe aanpak te gebruiken, nagesynchroniseerde schokloze of oplopende compressie, het team bepaalde hoe goud en platina samendrukken wanneer ze met extreem hoge precisie tot 1 TPa worden geperst. Vervolgens, ze gebruikten hun gegevens om nieuwe drukschalen af ​​te leiden tot 1 TPa. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Wetenschap en te zien in een speciale sectie "Perspectieven".

"De NIF en de Z-machine zijn unieke faciliteiten. We hebben hun vermogen om de meest nauwkeurige meting mogelijk uit te voeren echt gepusht, " zei Dayne Fratanduono, LLNL-fysicus en hoofdauteur van de publicatie. "Om schokloze compressie te doen, we gebruiken ofwel verschillende laserstralen of de gepulseerde krachtbron om ons monster geleidelijk uit te persen. Maar de sleutel is om heel zorgvuldig de snelheid te regelen waarmee we de druk op het monster verhogen, om te voorkomen dat er een schokgolf ontstaat die het experiment zou verpesten. En je moet er rekening mee houden dat het hele experiment veel minder dan een miljoenste van een seconde duurt."

"De truc is dat de meeste materialen stijver worden naarmate ze worden samengedrukt, dus we hoeven alleen maar te raden hoeveel, en zoek dan een machine die niet alleen voldoende vermogen levert, maar ook voldoende controle om het experiment te realiseren, " voegde Marius Millot eraan toe, LLNL natuurkundige en co-auteur.

Volgens Fratanduono, er waren verschillende andere gebieden die van cruciaal belang waren voor het bereiken van het hoge nauwkeurigheidsniveau van de experimenten:een ongelooflijk niveau van precisie bij het machinaal bewerken van stappen ter grootte van een micron op de doelen; het meten van die stappen; en ultrasnelle snelheidsmetingen waarmee het onderzoeksteam kon bepalen hoe het monster wordt gecomprimeerd.

"Dit is echt het hoogtepunt van tientallen jaren van technologische ontwikkelingen, " zei Fratanduono. "Het kostte een aantal jaren van ontwikkeling om dit niveau van volwassenheid in de experimenten te bereiken en de individuele voordelen van NIF en Z te combineren, de twee beste faciliteiten met een hoge energiedichtheid, was ook de sleutel om de materiële respons van goud en platina echt strak te beperken."

Het team verwacht dat met deze nieuwe drukschalen collega-wetenschappers over de hele wereld gemakkelijk, toch precies, bepalen de druk in hun experimenten door simpelweg de dichtheid te meten van een stuk goud of platina samengeperst met hun monster van belang.

"Dit is een enorme stap voorwaarts, want met een veel betere drukbepaling in de experimenten, we zullen in staat zijn om theoretische voorspellingen echt te testen en kwantumsimulaties te benchmarken die zijn gemaakt met 's werelds krachtigste computers, " zei Fratanduono. "Dit zal een solide basis vormen voor toekomstige ontdekkingen met behulp van statische en dynamische compressie terwijl we ons begrip van de kwantumtheorie van gecondenseerde materie blijven testen, een gebied van actief onderzoek naar de combinatie van de fysica van de gecondenseerde materie, materiaalkunde en kwantumchemie. Omdat ons werk nauwkeurigere metingen mogelijk zal maken van de eigenschappen van planetaire bestanddelen bij de relevante TPa-drukken, we verwachten ook de interesse van geofysici te wekken, planetaire wetenschappers en astronomen."