Materialens egenskaper under extrema förhållanden är av nyckelintresse för ett antal områden, inklusive planetarisk geofysik, materialvetenskap och tröghetsinneslutningsfusion (ICF). Inom geofysik, ekvationen för tillstånd för planetariska material som väte och järn under ultrahögt tryck och densitet kommer att ge en bättre förståelse av deras bildning och inre struktur.

I ett handledningssamtal under ett virtuellt möte med American Physical Society Division of Plasma Physics i november, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fysiker Hye-Sook Park diskuterade de olika experimentella teknikerna och nyckelfynden av materialtillstånd under extrem hög energitäthet (HED) förhållanden baserat på arbete utfört vid LLNL och andra anläggningar runt om i världen. HED-villkoret för materialstudier definieras som ett högtryckstillstånd på mer än 100 gigapascal (GPa) eller 1 miljon gånger högre än atmosfärstrycket vid havsnivån.

Arbetet som presenteras av Park finns nu i ett papper i Plasmas fysik .

"Det här dokumentet ger en översikt över studien av högtrycksmaterial med hög energitäthet som beskriver deras nyckeldiagnostik och nyckelupptäckten, ", sa Park. "Detta papper är skrivet för dem som vill lära sig materialstudier i HED-regimen på hög nivå."

Park sa att forskningen som presenteras i artikeln är viktig för många områden inom geofysik, materialvetenskap och program för lagerförvaltning. Forskningen kommer också att fortsätta på alla HED-anläggningar runt om i världen, inklusive nästa generations anläggningar som petawattsystem med hög upprepningshastighet och ny diagnostik som tidsupplösande röntgenbildsystem som ytterligare kommer att föra fram kunskapen om material under extrema förhållanden.

Uppsatsen granskar resultaten av fem områden inklusive ekvationen för järns tillstånd, jordens kärnmaterial; väteisolator till metallövergång som är viktig för magnetfältets egenskaper i de jovianska planeterna; fasförändringar i kisel och diamant vid mycket högt tryck; vatten i superioniskt tillstånd under högt tryck; och blystyrka under högt tryck.

Förstå extrema förhållanden

Park förklarade att trycket i jordens inre kärna är 350 gigapascal (GPa), eller 3,5 miljoner gånger högre än atmosfärstrycket vid havsnivån. Under sådana extrema förhållanden, planetariska material, som väte och kisel och vanliga material som bly, kan ändra sin densitet, temperatur, atomgitterstrukturer och styrka. Till exempel, att studera tillståndsekvationerna för olika planetariska material under ultrahögt tryck och densitet ger en bättre förståelse av jordens bildning och inre struktur. Forskare inom HED-fysik undersöker hur materiens tillstånd förändras under extrema tryck:cirka 100 GPa till 10, 000 GPa, eller 1 miljon till 100 miljoner gånger jordens atmosfärstryck.

Forskare kan skapa ultrahöga tryck vid HED-anläggningarna som LLNL:s National Ignition Facility (NIF), Linac Coherent Light Source (LCLS) vid SLAC National Accelerator Laboratory, Omega vid University of Rochester och Z-maskin vid Sandia National Laboratories för att genomföra materialstudier under extrema förhållanden.

"Vi kan skapa extremt höga tryck vid dessa anläggningar för att utföra materialstudier under extrema förhållanden med hjälp av laserablation eller magnetisk drivenhet, " sa Park.

Mätningarna krävde en kombination av plasmafysikens principer med den avancerade diagnostikteknologin. Plasmafysikprinciperna är att skapa högtrycksenheter för att skapa antingen chockad eller rampad kompression.

Ett exempel på diagnostik inkluderar hastighetsinterferometersystemet för vilken reflektor som helst (VISAR) som mäter ljudhastigheten på olika provtjocklekar för att mäta tillståndsekvationen, tryck och densitetsrelation. Andra exempel inkluderar den dynamiska diffraktionen med användning av kvasi-monoenergetiska röntgenkällor från antingen ljuskällan eller laserdrivna röntgenstrålar; en ultrahögupplöst röntgenspektrometer för att förstå atomsvängningarna för att mäta provets temperatur; och högenergiröntgenröntgen för att utföra en front-on radiografi på ytstörningstillväxt för att förstå materialets styrka.

Flera NIF-experiment och LCLS, Omega och Z beskrivs i tidningen. NIF:s kraftfulla lasersystem, tillsammans med utsökt diagnostik, gör det möjligt för forskare att nå ett aldrig tidigare skådat tryck i laboratoriet och producera oväntade/överraskande resultat som begränsar teorier och modeller som inte var möjliga utan experimentella resultat.