Som två superhjältar som äntligen förenar sina krafter, Sandia National Laboratories Z-maskin – generator av världens mest kraftfulla elektriska pulser – och Lawrence Livermore National Laboratorys National Ignition Facility – planetens mest energiska laserkälla – har i en serie av 10 experiment beskrivit svaren från guld och platina vid så extrema tryck. att deras atomstrukturer tillfälligt förvrängdes som bilder i en fun-house-spegel.

Liknande högtrycksförändringar inducerade i andra miljöer har skapat konstigheter som väte som uppträder som en metallisk vätska, helium i form av regn och natrium en transparent metall. Men hittills har det inte funnits något sätt att exakt kalibrera dessa tryck och svar, det första steget för att kontrollera dem.

Sade Sandias manager Chris Seagle, en författare till ett tekniskt dokument som nyligen publicerats av tidskriften Vetenskap , "Våra experiment är utformade för att mäta dessa förvrängningar i guld och platina som en funktion av tiden. Kompression ger oss ett mått på tryck kontra densitet."

Efter experiment på de två stora maskinerna, forskare utvecklade tabeller av guld och platina svar på extremt tryck. "Dessa kommer att tillhandahålla en standard för att hjälpa framtida forskare att kalibrera svaren från andra metaller under liknande stress, sa Jean-Paul Davis, en annan pappersförfattare och Sandias ledande forskare i försöket att på ett tillförlitligt sätt kategorisera extrema data.

Data genererade av experiment vid dessa tryck - ungefär 1,2 terapascal (en terapascal är 1 biljon pascal), en mängd tryck som är relevant för kärnexplosioner – kan hjälpa till att förstå exoplaneternas sammansättning, effekterna och resultaten av planetariska effekter, och hur månen bildades.

Den tekniska enheten som kallas pascal är så liten att den ofta ses i flera tusentals, miljoner, miljarder eller biljoner. Det kan vara lättare att visualisera omfattningen av dessa effekter i termer av atmosfärstryckenheter. Jordens centrum är cirka 3,6 miljoner gånger atmosfärstrycket vid havsnivån, eller 3,6 miljoner atmosfärer. Z:s data nådde 4 miljoner atmosfärer, eller fyra miljoner gånger atmosfärstrycket vid havsnivån, medan National Ignition Facility nådde 12 miljoner atmosfärer.

Kraften hos diamantstädet

Anmärkningsvärt, sådana tryck kan genereras i laboratoriet av en enkel kompressionsanordning som kallas ett diamantstäd.

Dock, "Vi har inga standarder för dessa extrema tryckområden, ", sa Davis. "Medan utredarna ser intressanta händelser, de hindras i att jämföra dem med varandra eftersom vad en forskare presenterar vid 1,1 terapascal är bara 0,9 på en annan forskares skala."

Vad som behövs är ett underliggande kalibreringsverktyg, som den numeriska tabellen som dessa experiment hjälpte till att skapa, han sa, så att forskarna talar om resultat som uppnås vid samma dokumenterade tryck.

"Z-NIF-experimenten kommer att ge detta, " sa Davis.

De övergripande experimenten, under ledning av Lawrence Livermore-forskaren D. E. Fratanduono, litade på Z-maskinens noggrannhet som en kontroll av NIF:s kraft.

Z:s noggrannhet, NIF:s makt

Z:s kraft skapas av dess kraftfulla stötfria magnetfält, genereras i hundratals nanosekunder av dess 20 miljoner ampere puls. För jämförelse, en 120-watts glödlampa använder en ampere.

Noggrannheten hos denna metod omfokuserade de högre trycken som uppnåddes med NIF-metoder.

NIF:s tryck översteg de på kärnan av planeten Saturnus, vilket är 850 gigapascal. Men dess laserkompressionsexperiment krävde ibland en liten stöt i början av kompressionsvågen, höja materialets temperatur, som kan förvränga mätningar avsedda att sätta en standard.

"Poängen med stötfri kompression är att hålla temperaturen relativt låg för de material som studeras, " sade Seagle. "I grund och botten värmer materialet när det komprimeras, men det bör förbli relativt svalt – hundratals grader – även vid terapascal tryck. Initial uppvärmning är en besvärlig start."

En annan anledning till att Z, som bidrog med hälften av antalet "skott, "eller skjutningar, och ungefär en tredjedel av datan, ansågs standarden för resultat upp till 400 gigapascal berodde på att Z:s provstorlek var ungefär 10 gånger så stor:600 till 1, 600 mikron tjock jämfört med 60 till 90 mikron på NIF. En mikron är en tusendels millimeter.

Större prover, långsammare pulser är lika med lättare mätningar

"Eftersom de var större, Z:s prover var mindre känsliga för materialets mikrostruktur än NIF:s, ", sade Davis. "Större prover och långsammare pulser är helt enkelt lättare att mäta med hög relativ precision. Att kombinera de två anläggningarna begränsade verkligen standarderna."

Kombinationen av Z- och NIF-data innebar att den högre noggrannheten, men Z-data med lägre intensitet kan användas för att fastställa låg-till-medeltrycksvaret, och med matematiska justeringar, minska fel på NIF-data med högre tryck.

"Syftet med denna studie var att producera mycket exakta tryckmodeller till ungefär en terapascal. Vi gjorde det, så denna kombination av faciliteter har varit fördelaktig, sa Seagle.