Att undersöka hur fast materia beter sig vid enorma tryck, som de som finns i gigantiska planeters djupa inre, är en stor experimentell utmaning. För att hjälpa till att ta itu med den utmaningen tog Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och medarbetare en djupdykning i att förstå dessa extrema påfrestningar.

Verket publicerades precis i Nature Physics med LLNL-forskaren Martin Gorman som huvudförfattare.

"Våra resultat representerar ett betydande experimentellt framsteg; vi kunde undersöka det strukturella beteendet hos magnesium (Mg) vid extrema tryck - över tre gånger högre än vid jordens kärna - som tidigare bara var tillgängliga teoretiskt," sa Gorman. "Våra observationer bekräftar teoretiska förutsägelser för Mg och visar hur TPa-tryck - 10 miljoner gånger atmosfärstryck - tvingar material att anta fundamentalt nya kemiska och strukturella beteenden."

Gorman sa att moderna beräkningsmetoder har föreslagit att kärnelektroner bundna till angränsande atomer börjar interagera vid extrema tryck, vilket gör att de konventionella reglerna för kemisk bindning och kristallstrukturbildning bryts ner.

"Den kanske mest slående teoretiska förutsägelsen är bildandet av högtryckselektrider i elementära metaller, där valensbandsfria elektroner pressas in i lokala tillstånd inom de tomma utrymmena mellan joner för att bilda pseudojoniska konfigurationer," sa han. "Men att nå de nödvändiga trycken, ofta över 1 TPa, är mycket utmanande experimentellt."

Gorman förklarade arbetet genom att beskriva det bästa sättet att arrangera bollar i en tunna. Konventionell visdom antyder att atomer under tryck, som bollar i en tunna, bör föredra att staplas så effektivt som möjligt.

"För att få plats med det maximala antalet bollar i en tunna måste de staplas så effektivt som möjligt, till exempel ett sexkantigt eller kubiskt tätpackningsmönster," sa Gorman. "Men även de närmaste packningarna är bara 74% effektiva och 26% är fortfarande tomt utrymme, så genom att inkludera mindre kulor med rätt storlek kan en mer effektiv packning av kulor uppnås.

"Vad våra fynd tyder på är att under enormt tryck blir valenselektronerna, som normalt är fria att röra sig genom Mg-metallen, lokaliserade i de tomma utrymmena mellan atomerna och bildar därmed en nästan masslös, negativt laddad jon", sa han. "Nu finns det bollar av två olika storlekar - positivt laddade Mg-joner och negativt laddade lokaliserade valenselektroner - vilket betyder att Mg kan packas mer effektivt och sålunda blir sådana "elektrid"-strukturer energiskt gynnsamma över tät packning."

Arbetet som beskrivs i artikeln krävde sex skottdagar vid National Ignition Facility (NIF) mellan 2017 och 2019. Medlemmar av ett internationellt samarbete reste till LLNL för att observera skottcykeln och hjälpa till att analysera data dagarna efter varje experiment.

De toppmoderna laserexperimenten med hög effekt på NIF, tillsammans med nanosekundsröntgendiffraktionstekniker, ger det första experimentella beviset – oavsett material – på elektridstrukturer som bildar över 1 TPa.

"Vi rampkomprimerade elementärt Mg, bibehöll fast tillståndet upp till ett topptryck på 1,32 TPa (över tre gånger trycket i jordens mitt), och observerade Mg omvandlas till fyra nya kristallstrukturer," sa Gorman. "De bildade strukturerna är öppna och har ineffektiv atompackning, vilket motsäger vår traditionella uppfattning att sfäriska atomer i kristaller bör packas mer effektivt med ökande kompression."

Men det är just denna ineffektivitet av atomär packning som stabiliserar dessa öppna strukturer vid extrema tryck, eftersom det tomma utrymmet krävs för att bättre kunna ta emot lokaliserade valenselektroner. Den direkta observationen av öppna strukturer i Mg är det första experimentella beviset på hur valens-kärna och kärna-kärna-elektroninteraktioner kan påverka materialstrukturer vid TPa-tryck. Transformationen som observerats mellan 0,96-1,32 TPa är den strukturella fasövergången med högsta tryck som hittills observerats i något material, och den första vid TPa-tryck, enligt forskarna.

Gorman sa att dessa typer av experiment för närvarande endast kan utföras på NIF och öppnar dörren för nya forskningsområden. + Utforska vidare

Lika mycket tryck som Uranus kärna:Den första materialsyntesforskningen och studien i terapascalområdet