Järn är det stabilaste och tyngsta kemiska grundämnet som produceras av nukleosyntes i stjärnor, vilket gör det till det vanligaste tunga elementet i universum och i det inre av jorden och andra steniga planeter.

För att få en bättre förståelse av högtrycksbeteendet hos järn, en fysiker från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och internationella medarbetare upptäckte subnanosekunds fasövergångar i laserchockat järn. Forskningen visas i 5 juni-upplagan av tidskriften Vetenskapens framsteg .

Forskningen kan hjälpa forskare att bättre förstå fysiken, kemi och de magnetiska egenskaperna hos jorden och andra planeter genom att mäta tidsupplösta högupplösta röntgendiffraktioner under hela varaktigheten av stötkompression. Detta möjliggör observation av tidpunkten för början av elastisk kompression vid 250 pikosekunder och den härledda observationen av trevågsstrukturer mellan 300-600 pikosekunder. Röntgendiffraktionen avslöjar att den berömda fasomvandlingen från omgivande järn (Fe) till högtrycks-Fe inträffar inom 50 pikosekunder.

Vid omgivningsförhållanden, metalliskt järn är stabilt som en kroppscentrerad kubisk form, men när trycket stiger över 13 gigapascal (130, 000 gånger det atmosfäriska trycket på jorden), järn omvandlas till en omagnetisk hexagonal tätpackad struktur. Denna transformation är diffusionsfri, och forskare kan se samexistensen av både omgivnings- och högtrycksfasen.

Det finns fortfarande debatter om placeringen av fasgränserna för järn samt kinetiken för denna fasövergång.

Teamet använde en kombination av en optisk laserpump och X-ray Free Electron Laser (XFEL) sond för att observera den atomära strukturella utvecklingen av stötkomprimerat järn med en aldrig tidigare skådad tidsupplösning, ca 50 pikosekunder under högt tryck. Tekniken visade alla järns kända strukturtyper.

Teammedlemmar upptäckte till och med uppkomsten av nya faser efter 650 pikosekunder med densitet liknande eller till och med lägre än den omgivande fasen.

"Detta är den första direkta och fullständiga observationen av stötvågsutbredning associerad med de kristallstrukturella förändringarna som registrerats av högkvalitativa tidsseriedata, " sa LLNL fysiker Hyunchae Cynn, medförfattare till tidningen.

Teamet observerade tre-vågs temporal evolution av elastiken, plast och deformationsfasen övergår till högtrycksfasen, följt av postkompressionsfaser på grund av sällsynta vågor i 50-pikosekunders intervaller mellan 0 och 2,5 nanosekunder efter bestrålning med den optiska lasern.

Ytterligare experiment kan leda till en bättre förståelse av hur steniga planeter bildades eller om de har ett magmahav i det inre.