I denna konstnärliga återgivning av laserkomprimeringsexperimentet, lasrar med hög effekt fokuserar på ytan av en diamant, generera en sekvens av chockvågor som sprider sig genom provmonteringen (från vänster till höger), samtidigt komprimera och värma det ursprungligen flytande vattenprovet, tvingar den att frysa in i den superioniska vattenisfasen. Upphovsman:Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)
Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) använde gigantiska lasrar för att frysa in vatten i sin exotiska superionfas och spela in röntgendiffraktionsmönster för att identifiera dess atomstruktur för allra första gången-allt på bara några miljarder sekunder av en sekund. Resultaten rapporteras idag i Natur .
1988, forskare förutspådde först att vatten skulle övergå till ett exotiskt tillstånd av materia som kännetecknas av samexistensen av ett fast syretät och vätskeliknande väte-superionisk is-när det utsätts för de extrema tryck och temperaturer som finns i det inre av en vattenrik jätte. planeter som Uranus och Neptunus. Dessa förutsägelser förblev kvar till 2018, när ett team under ledning av forskare från LLNL presenterade de första experimentella bevisen för detta konstiga vattentillstånd.
Nu, LLNL -forskarna beskriver nya resultat. Med hjälp av laserdrivna stötvågor och in-situ röntgendiffraktion, de observerar kärnbildningen av ett kristallint syregitter på några miljarddelar av en sekund, för första gången avslöjar den mikroskopiska strukturen för superionisk is.
Uppgifterna ger också ytterligare inblick i den inre strukturen hos isjättplaneter.
"Vi ville bestämma atomstrukturen för superioniskt vatten, "sa LLNL -fysikern Federica Coppari, medledande författare till tidningen. "Men med tanke på de extrema förhållanden vid vilka detta svårfångade materiella tillstånd förutspås vara stabilt, att komprimera vatten till sådana tryck och temperaturer och samtidigt ta ögonblicksbilder av atomstrukturen var en extremt svår uppgift, som krävde en innovativ experimentell design. "
Forskarna utförde en rad experiment på Omega Laser Facility vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE). De använde sex gigantiska laserstrålar för att generera en sekvens av chockvågor med gradvis ökande intensitet för att komprimera ett tunt lager av initialt flytande vatten till extrema tryck (100-400 gigapascal (GPa), eller 1-4 miljoner gånger jordens atmosfärstryck) och temperaturer (3, 000-5, 000 grader Fahrenheit).
"Vi designade experimenten för att komprimera vattnet så att det skulle frysa till fast is, men det var inte säkert att iskristallerna faktiskt skulle bildas och växa på de få miljarddelar av en sekund som vi kan hålla tryck-temperaturförhållandena, " sa LLNL-fysikern och medförfattaren Marius Millot.
I detta tidsintegrerade fotografi av ett röntgendiffraktionsförsök, jätte lasrar fokuserar på vattenprovet, sitter på frontplattan för diagnosen som används för att registrera diffraktionsmönster, att komprimera den till den superioniska fasen. Ytterligare laserstrålar genererar en röntgenblixt från en järnfolie som gör att forskarna kan ta en ögonblicksbild av kompress/varmvattenlagret. Diagnostik övervakar tidshistoriken för laserpulserna och ljusstyrkan hos den utsända röntgenkällan. Kredit:Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
För att dokumentera kristalliseringen och identifiera atomstrukturen, laget sprängde en liten järnfolie med ytterligare 16 laserpulser för att skapa en het plasma, som genererade en blixt av röntgenstrålar exakt tidsinställda för att belysa det komprimerade vattenprovet som en gång fördes in i den förutsagda stabilitetsdomänen för superionisk is.
"Röntgendiffraktionsmönstren vi mätte är en otvetydig signatur för täta iskristaller som bildas under den ultrasnabba stötvågskompressionen, vilket visar att kärnbildning av fast is från flytande vatten är tillräckligt snabb för att observeras i experimentets tidsskala på nanosekunder, "Sa Coppari.
"I det tidigare arbetet kunde vi bara mäta makroskopiska egenskaper som intern energi och temperatur, "Millot tillagt." Därför, vi utformade ett nytt och annorlunda experiment för att dokumentera atomstrukturen. Att hitta direkta bevis för förekomsten av kristallint syregitter ger den sista saknade biten till pusslet angående förekomsten av superionisk vattenis. Detta ger ytterligare styrka till bevisen för förekomsten av superionisk is som vi samlade förra året. "
Analysera hur röntgendiffraktionsmönstren varierade för de olika experimenten som undersökte ökat tryck och temperaturförhållanden, laget identifierade en fasövergång till en tidigare okänd ansiktscentrerad-kubisk (f.c.c.) atomstruktur för tät vattenis.
"Vatten är känt för att ha många olika kristallina strukturer som kallas is Ih, II, III, upp till XVII, " sa Coppari. "Så, vi föreslår att kalla det nya f.c.c. fast form 'is XVIII.' Datorsimuleringar har föreslagit ett antal olika möjliga kristallina strukturer för superionisk is. Vår studie ger ett kritiskt test för numeriska metoder. "
Teamets data har djupgående konsekvenser för den inre strukturen på isjätteplaneter. Eftersom superionisk is i slutändan är ett fast ämne, tanken på att dessa planeter har ett enhetligt snabbt konvekterande vätskeskikt håller inte längre.
"Eftersom vattenis vid Uranus och Neptunus inre förhållanden har ett kristallint gitter, vi hävdar att superionisk is inte ska flöda som en vätska som den yttre kärnan på jorden. Snarare, det är nog bättre att föreställa sig att superionisk is skulle flyta på samma sätt som jordens mantel, som är gjord av fast sten, ändå flyter och stöder konvektiva rörelser i stor skala på de mycket långa geologiska tidsskalorna, "Millot sa." Detta kan dramatiskt påverka vår förståelse av den inre strukturen och utvecklingen av de iskalla jätteplaneterna, såväl som alla deras många extrasolära kusiner."
