Experimentkammaren vid Matter in Extreme Conditions-stationen vid SLAC:s Linac Coherent Light Source. Denna kammare användes för ett experiment som studerade omvandlingen av smält kiseldioxid till stisjovit, ett hårt mineral. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Stanfords forskare utnyttjar kraften hos fokuserade röntgenstrålar för att studera de transformationer som stenar genomgår under intensiv värme och tryck. Tekniken kan ge nya insikter i forntida asteroidnedslagshändelser som de som slog den tidiga jorden och spelade en avgörande roll i bildandet av andra steniga planeter.
"För första gången, vi kan börja reda ut den ultrasnabba omvandlingen av ett stenprov under en dynamisk process som chockkompression. Genom att ta en serie ögonblicksbilder, vi kan fånga vad som händer under mycket snabba processer, säger Wendy Mao, en docent i geologiska vetenskaper och i fotonvetenskap.
Med hjälp av Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory, Mao och Arianna Gleason, en postdoktor vid Los Alamos National Laboratory och en gästforskare vid Maos Extreme Environments Laboratory, utför experiment som gör att de kan bevittna de snabba förvandlingarna av chockade stenar.
Först, de använder kraftfulla optiska lasrar för att överhetta en liten del av ett stenprov och skapa ett plasma. "Den del av stenen som träffas av lasern blir en plasma som blåser av, och det blåser av så snabbt att det skapar en stötvåg som rör sig i andra riktningen, " förklarar Gleason.
Värmen och kompressionen som genereras av den rörliga stötvågen ändrar den kristallina strukturen hos det återstående stenprovet, omorganisera sina atomer till ett annat mineral.
Skapa stishovit med laserljus:De vitaktiga banden som visas i den här sammanställda sekvensen av röntgenbilder gör det möjligt för forskare att identifiera den ultrasnabba uppkomsten av mineralet stishovit efter chockerande prover av smält kiseldioxid med en högeffektlaser. Tidsfördröjningen i denna sekvens mäts i nanosekunder. Kredit:Arianna Gleason/Los Alamos National Laboratory
För att belysa och registrera egenskaperna hos det föränderliga mineralet, forskarna avfyrar en skur av fokuserade röntgenstrålar från LCLS mot provet bara nanosekunder efter den första laserpulsen. "Röntgenstrålarna har en våglängd som är precis lagom för att låta oss mäta avstånden mellan atomer, " säger Gleason. "Baserat på atomernas position, vi kan berätta exakt vilket material det är."
Genom att variera ankomsttiden för röntgenstrålning, forskarna kan generera en serie ögonblicksbilder av mineralet när det förändras över tiden. Att skapa en tidsserie som representerar 50 nanosekunder av stenförändringar kan kräva 6 till 12 timmar i labbet.
Med hjälp av deras teknik, Mao och Gleason visade nyligen att mineralet stisjovit, en ovanlig, extremt hård och tät form av kiseldioxid, kan bildas på bara några nanosekunder, eller miljarddels sekund – tiotals eller till och med hundratals gånger snabbare än man tidigare trott.
"Högtrycksbeteendet hos kiseldioxid har studerats omfattande på grund av dess tillämpning inte bara på planetvetenskap utan grundläggande fysik, kemi och materialvetenskap också, " säger Mao. "Denna studie ger en kritisk inblick i mekanismen bakom hur olika former av kiseldioxid förvandlas från en struktur till en annan."
Naturliga kluster av kvartskristall som dessa bildas när stenar är under intensivt tryck. Forskare vid Extreme Environments Laboratory använder röntgenpulser för att skapa ögonblicksbilder av transformationen. Kredit:Stanford University
