Внутреннее строение гигантских планет может достигать давления, более чем в миллион раз превышающего атмосферное давление на Земле. Из-за такого сильного давления материалы могут принимать неожиданные структуры и свойства. Понимание материи в этих условиях требует экспериментов, которые раздвигают границы физики в лаборатории.
В недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и их коллеги провели такие эксперименты с золотом, достигнув самых высоких измерений структуры при высоком давлении, когда-либо сделанных для этого материала. Результаты, показывающие изменение структуры золота при давлении в 10 миллионов раз превышающем атмосферное давление на Земле, важны для моделирования планет и изучения термоядерного синтеза.
«Эти эксперименты раскрывают атомные перестройки, которые происходят при некоторых из наиболее экстремальных давлений, достижимых в лабораторных экспериментах», — сказала учёный LLNL и автор исследования Эми Коулман.
Золото является распространённым эталонным материалом для изучения высоких давлений. Оно часто используется для калибровки статических измерений давления, поскольку оно химически стабильно и его легко обнаружить с помощью рентгеновских лучей. Его поведение при низких давлениях относительно хорошо изучено, но есть некоторые исторические расхождения, когда речь идёт о высоких давлениях.
«Точное знание того, как ведёт себя золото, гарантирует, что каждый другой эксперимент, использующий его в качестве калибратора, от изучения планетарных ядер до разработки новых материалов, основан на надёжном и проверенном понимании поведения золота», — сказала Коулман.
Но достижение таких давлений чрезвычайно сложно. Чтобы получить свои измерения, авторы создали специальные лазерные импульсы в Национальном центре зажигания (NIF) и в лазерной системе OMEGA EP в Университете Рочестера. Эти импульсы позволили им получить сверхвысокие давления при более низких температурах, когда золото всё ещё находится в твёрдом состоянии.
Процесс также потребовал сверхточного хронометража: снимки дифракции рентгеновских лучей в атомном масштабе были сделаны за миллиардную долю секунды.
«Только недавно такие установки, как NIF, получили возможность как создавать эти давления, так и делать снимки того, что происходит с атомами внутри образца», — сказала Коулман. «Это первый окончательный взгляд на кристаллическую структуру золота при таком экстремальном сжатии, и он наконец устраняет давние разногласия между теорией и экспериментом».
В нормальных условиях атомы золота располагаются в порядке, называемом гранецентрированной кубической структурой. Эта решётка имеет атомы в каждом углу и в центре каждой грани куба. Учёные обнаружили, что эта структура стабильна при гораздо более высоких давлениях, чем предсказывали некоторые модели. Она была единственной фазой золота, присутствовавшей примерно до двукратного давления в ядре Земли.
За этим золотом начало меняться. Некоторые атомы золота расположились в объёмно-центрированной кубической структуре, где атомы расположены в каждом углу куба, и один атом находится в точном центре. Но часть первоначальной гранецентрированной структуры также сохранилась, что свидетельствует о сосуществовании состояний.
«Эти эксперименты расширяют структурные измерения золота до терапаскального режима и подчёркивают необходимость температурной диагностики для уточнения фазовых границ», — сказала Коулман. «Они обеспечивают более прочную основу для использования золота в качестве стандарта высокого давления и для изучения материи в экстремальных условиях».
Предоставлено Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса.
Physical Review Letters, researchers at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) and their collaborators conducted such experiments with gold, achieving the highest-pressure structural measurement ever made for the material. The results, which show gold switching structure at 10 million times the Earth’s atmospheric pressure, are essential for planetary modeling and fusion science.»,»\»These experiments uncover the atomic rearrangements that occur at some of the most extreme pressures achievable in laboratory experiments,\» said LLNL scientist and author Amy Coleman.»,»Gold is a common reference material for high-pressure science. It is often used to calibrate static measurements of pressure because it is chemically stable and is easy to detect with X-rays. Its behavior at low pressure conditions is relatively well-understood, but there have been some historical discrepancies when it comes to extreme pressures.»,»\»Knowing precisely how gold behaves ensures that every other experiment using it as a calibrant, from studying planetary cores to designing new materials, is grounded in a robust and validated understanding of gold’s behavior,\» said Coleman.»,»But reaching these pressures is extraordinarily difficult. To obtain their measurements, the authors created tailored laser pulses at the National Ignition Facility (NIF) and the OMEGA EP Laser System at the University of Rochester. Those pulses allowed them to access ultra-high pressures at lower temperatures where the gold is still in a solid state.»,»The process also required ultra-precise timing, with atomic-scale X-ray diffraction snapshots taken in a billionth of a second.»,»\»Only recently have facilities like NIF had the capability to both create these pressures and to take a snapshot of what happens to atoms inside the sample,\» said Coleman. \»This is the first definitive look at gold’s crystal structure under such extreme compression, and it finally resolves long-standing disagreements between theory and experiment.\»»,»Under normal conditions, gold atoms arrange themselves in a pattern called a face-centered cubic structure. This lattice has atoms at each corner and in the center of each face of a cube. The scientists found this structure to be stable to much higher pressures than some models predicted. It was the only phase of gold present up to about twice the pressure of the Earth’s core.»,»Beyond that, the gold began to change. Some gold atoms arranged themselves into a body-centered cubic structure, where atoms are located at each corner of a cube and one atom is in the exact center. But some of the original face-centered structure also persisted, providing evidence of a coexistence between the states.»,»\»These experiments extend structural measurements of gold into the terapascal regime and highlight the need for temperature diagnostics to refine phase boundaries,\» said Coleman. \»They provide a stronger foundation for using gold as a high-pressure standard and for exploring matter under extreme conditions.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLawrence Livermore National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник