De eigenschappen van materialen onder extreme omstandigheden zijn van groot belang voor een aantal gebieden, inclusief planetaire geofysica, materiaalwetenschap en inertiële opsluitingsfusie (ICF). In de geofysica, de toestandsvergelijking van planetaire materialen zoals waterstof en ijzer onder ultrahoge druk en dichtheid zal een beter begrip geven van hun vorming en inwendige structuur.

In een tutorial talk tijdens een virtuele bijeenkomst van de American Physical Society Division of Plasma Physics in november, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) natuurkundige Hye-Sook Park besprak de verschillende experimentele technieken en belangrijkste bevindingen van materiële toestanden onder extreem hoge energiedichtheid (HED) omstandigheden op basis van werk uitgevoerd bij LLNL en andere faciliteiten over de hele wereld. De HED-conditie voor materiaalstudies wordt gedefinieerd als de hogedrukconditie van meer dan 100 gigapascal (GPa) of 1 miljoen keer hoger dan de atmosferische druk op zeeniveau.

Het werk van Park is nu te zien in een paper in Fysica van plasma's .

"Dit artikel geeft een overzicht van het onderzoek naar materialen met een hoge energiedichtheid en een beschrijving van hun belangrijkste diagnostiek en de belangrijkste ontdekkingen, "Zei Park. "Dit artikel is geschreven voor degenen die de materiële studies in het HED-regime op hoog niveau willen leren."

Park zei dat het onderzoek dat in het artikel wordt gepresenteerd belangrijk is voor veel gebieden in de geofysica, materiaalwetenschap en voorraadbeheerprogramma's. Het onderzoek zal ook worden voortgezet op alle HED-faciliteiten over de hele wereld, inclusief faciliteiten van de volgende generatie, zoals petawatt-systemen met hoge herhalingssnelheid en nieuwe diagnostiek, zoals tijdoplossende röntgenbeeldvormingssystemen die de kennis van materialen onder extreme omstandigheden verder zullen vergroten.

Het artikel bespreekt de resultaten van vijf gebieden, waaronder de toestandsvergelijking van ijzer, het kernmateriaal van de aarde; waterstofisolator naar metaalovergang die belangrijk is voor de magnetische veldeigenschappen in de Jupiter-planeten; faseveranderingen in silicium en diamant bij zeer hoge druk; water in superionische toestand onder hoge druk; en loodsterkte onder hoge druk.

Inzicht in extreme omstandigheden

Park legde uit dat de druk van de binnenkern van de aarde 350 gigapascal (GPa) is, of 3,5 miljoen keer hoger dan de atmosferische druk op zeeniveau. Onder zulke extreme omstandigheden planetaire materialen, zoals waterstof en silicium en gewone materialen zoals lood, kunnen hun dichtheid veranderen, temperatuur, atomaire roosterstructuren en sterkte. Bijvoorbeeld, het bestuderen van de toestandsvergelijkingen van verschillende planetaire materialen onder ultrahoge druk en dichtheid geeft een beter begrip van de vorming en de inwendige structuur van de aarde. Wetenschappers in de HED-fysica onderzoeken hoe de toestanden van materie veranderen onder extreme druk:ongeveer 100 GPa tot 10, 000 Gpa, of 1 miljoen tot 100 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde.

Onderzoekers kunnen ultrahoge druk creëren bij de HED-faciliteiten zoals de National Ignition Facility (NIF) van LLNL, Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC National Accelerator Laboratory, Omega aan de Universiteit van Rochester en Z-machine bij Sandia National Laboratories om materiaalstudies uit te voeren onder extreme omstandigheden.

"We kunnen bij deze faciliteiten ultrahoge drukken creëren om materiaalonderzoek onder extreme omstandigheden uit te voeren met behulp van laserablatie-aandrijving of magnetische aandrijving, ' zei Park.

De metingen vereisten een combinatie van de principes van plasmafysica met de geavanceerde diagnostische technologie. De plasmafysica-principes zijn om de hogedrukaandrijvingen te creëren om ofwel geschokte ofwel oplopende compressie te creëren.

Een voorbeeld van diagnostiek omvat het snelheidsinterferometersysteem voor elke reflector (VISAR) dat de geluidssnelheid meet op verschillende diktes van het monster om de toestandsvergelijking te meten, druk en dichtheid relatie. Andere voorbeelden zijn de dynamische diffractie met behulp van quasi-mono-energetische röntgenbronnen van ofwel de lichtbron of lasergestuurde röntgenstralen; een röntgenspectrometer met ultrahoge resolutie om de atomaire oscillaties te begrijpen om de monstertemperatuur te meten; en hoogenergetische röntgenradiografie om een ​​face-on radiografie uit te voeren op de groei van verstoringen aan het oppervlak om de materiaalsterkte te begrijpen.

Verschillende NIF-experimenten en LCLS, Omega en Z worden beschreven in de krant. NIF's krachtige lasersysteem, in combinatie met uitstekende diagnostiek, stelt wetenschappers in staat om ongekende druk in het laboratorium te bereiken en onverwachte/verrassende resultaten te produceren die theorieën en modellen beperken die niet mogelijk waren zonder experimentele resultaten.