Onderzoeken hoe vaste materie zich gedraagt ​​bij enorme druk, zoals die wordt aangetroffen in het diepe binnenste van reuzenplaneten, is een grote experimentele uitdaging. Om die uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers en medewerkers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) een diepe duik genomen in het begrijpen van deze extreme druk.

Het werk is zojuist gepubliceerd in Nature Physics met LLNL-wetenschapper Martin Gorman als hoofdauteur.

"Onze resultaten vertegenwoordigen een significante experimentele vooruitgang:we waren in staat om het structurele gedrag van magnesium (Mg) te onderzoeken bij extreme drukken - meer dan drie keer hoger dan in de kern van de aarde - die voorheen alleen theoretisch toegankelijk waren," zei Gorman. "Onze waarnemingen bevestigen theoretische voorspellingen voor Mg en laten zien hoe TPa-drukken - 10 miljoen keer atmosferische druk - materialen dwingen om fundamenteel nieuw chemisch en structureel gedrag aan te nemen."

Gorman zei dat moderne computationele methoden hebben gesuggereerd dat kernelektronen gebonden aan naburige atomen beginnen te interageren bij extreme druk, waardoor de conventionele regels van chemische binding en kristalstructuurvorming afbreken.

"Misschien is de meest opvallende theoretische voorspelling de vorming van 'electriden' onder hoge druk in elementaire metalen, waarbij vrije elektronen van de valentieband in gelokaliseerde toestanden binnen de lege ruimtes tussen ionen worden geperst om pseudo-ionische configuraties te vormen," zei hij. "Maar het bereiken van de vereiste druk, vaak boven 1 TPa, is experimenteel erg uitdagend."

Gorman legde het werk uit door de beste manier te beschrijven om ballen in een ton te plaatsen. Conventionele wijsheid suggereert dat atomen die onder druk staan, zoals ballen in een ton, het liefst zo efficiënt mogelijk worden gestapeld.

"Om het maximale aantal ballen in een ton te laten passen, moeten ze zo efficiënt mogelijk worden gestapeld, zoals een hexagonaal of kubisch close-packingpatroon," zei Gorman. "Maar zelfs de dichtsbijzijnde verpakkingen zijn slechts 74% efficiënt en 26% is nog steeds lege ruimte, dus door kleinere ballen van de juiste maat op te nemen, kan een efficiëntere verpakking van ballen worden gerealiseerd.

"Wat onze bevindingen suggereren, is dat onder enorme druk de valentie-elektronen, die normaal vrij door het Mg-metaal kunnen bewegen, gelokaliseerd worden in de lege ruimtes tussen atomen en zo een bijna massaloos, negatief geladen ion vormen," zei hij. "Nu zijn er ballen van twee verschillende groottes - positief geladen Mg-ionen en negatief geladen gelokaliseerde valentie-elektronen - wat betekent dat Mg efficiënter kan inpakken en dus worden dergelijke 'electrode'-structuren energetisch gunstiger dan dicht opeengepakt worden."

Voor het werk dat in de krant wordt beschreven, waren tussen 2017 en 2019 zes shotdagen nodig bij de National Ignition Facility (NIF). Leden van een internationale samenwerking reisden naar LLNL om de shotcyclus te observeren en te helpen bij het analyseren van gegevens in de dagen na elk experiment.

De ultramoderne high-power laserexperimenten op de NIF, gekoppeld aan nanoseconde röntgendiffractietechnieken, leveren het eerste experimentele bewijs - in welk materiaal dan ook - van elektrodenstructuren die zich boven 1 TPa vormen.

"We hebben elementair Mg op een helling gecomprimeerd, waarbij de vaste toestand tot een piekdruk van 1,32 TPa (meer dan drie keer de druk in het midden van de aarde) werd gehandhaafd en Mg werd getransformeerd naar vier nieuwe kristalstructuren," zei Gorman. "De gevormde structuren zijn open en hebben een inefficiënte atomaire pakking, wat in tegenspraak is met ons traditionele begrip dat bolvormige atomen in kristallen efficiënter zouden moeten inpakken met toenemende compressie."

Het is echter juist deze inefficiëntie van atomaire pakking die deze open structuren stabiliseert bij extreme drukken, aangezien de lege ruimte nodig is om gelokaliseerde valentie-elektronen beter op te vangen. De directe observatie van open structuren in Mg is het eerste experimentele bewijs van hoe valentie-kern- en kern-kern-elektroninteracties materiaalstructuren kunnen beïnvloeden bij TPa-drukken. De transformatie die werd waargenomen tussen 0,96-1,32 TPa is volgens de onderzoekers de hoogste structurele faseovergang die tot nu toe is waargenomen in welk materiaal dan ook, en de eerste bij TPa-drukken.

Gorman zei dat dit soort experimenten momenteel alleen bij het NIF kunnen worden uitgevoerd en de deur openen voor nieuwe onderzoeksgebieden. + Verder verkennen

Zoveel druk als de kern van Uranus:het eerste onderzoek en onderzoek naar materiaalsynthese in het terapascal-bereik