Laserdrivna chockvågor som når flera miljoner atmosfärer bryter den extremt starka trippelbindningen av kvävemolekyler och frigör en bråkdel av L-skalelektronerna i de dissocierade atomerna. Kredit:Liam Krauss/LLNL
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare erhöll nyligen termodynamiska högprecisionsdata om varmt tätt kväve under extrema förhållanden som kan leda till en bättre förståelse av det inre av himmelska objekt som vita dvärgar och exoplaneter.
Teamet, som inkluderar forskare från University of California, Berkeley och University of Rochester, använde en avancerad teknik som kombinerar förkomprimering i en diamantstädcell och laserdriven stötkompression vid Omega Laser Facility vid University of Rochester .
Molekyler av kväve (N2 ) utgör 78 % av luften vi andas. De är unika eftersom de två kväveatomerna i N2 är bundna med en trippelkovalent bindning, som är den starkaste av alla enkla diatomiska molekyler. Kväve är också en viktig beståndsdel av himlakroppar i det yttre solsystemet och bortom. Till exempel ammoniak (NH3 ) stormar tros finnas på jätteplaneter som Jupiter, medan dvärgplaneten Pluto, Saturnus iskalla måne Titan och Neptunus iskalla måne Triton har N2 -rika atmosfärer.
Tidigare studier med denna kraftfulla teknik avslöjade experimentella bevis för superionisk vattenis och heliumregn i gasgigantiska planeter. I den nya forskningen genomförde teamet chockexperiment på förkomprimerad molekylär kvävevätska upp till 800 GPa (~8 miljoner atmosfärer) tryck.
De observerade tydliga signaturer för fullbordandet av molekylär dissociation nära 70–100 GPa och 5–10 kK (tusentals kelviner) och början av jonisering för de yttersta elektronerna över 400 GPa och 50 kK.
"Det är väldigt spännande att vi kan använda chockvågor för att bryta dessa molekyler och förstå hur tryck och densitet inducerar förändringar i kemisk bindning", säger LLNL-fysikern Yong-Jae Kim, huvudförfattare till en artikel som visas i Physical Review Letters . "Att studera hur man bryter kvävemolekyler och hur man frigör elektroner är ett bra test för de mest avancerade datorsimuleringarna och teoretiska modelleringen."
Teamet ansåg också att studier av kväve kan hjälpa till att låsa upp några av mysterierna angående beteendet hos vätemolekyler i det tidiga skedet av tröghetsinneslutningsfusionsimplosioner vid National Ignition Facility.
"Medan kväve och väte båda är lätta diatomiska molekyler, är väteatomer så små att det är mycket komplicerat att reproducera deras beteende under extremt tryck och temperatur med datorsimuleringar," sa Kim.
Teamet tittade närmare på jämförelsen mellan experimentella data i den nya forskningen och motsvarande simulerade tryckdensitetskurvor med utgångspunkt från olika initialdensiteter. Jämförelsen gav ytterligare förtroende för förmågan hos datorsimuleringar med densitetsfunktionella teorin (DFT) molekylär dynamikteknik för att exakt fånga de subtila kvantfysikförändringarna i materialegenskaper vid dessa tidigare odokumenterade förhållanden. I synnerhet löste de nya uppgifterna en förbryllande diskrepans mellan tidigare experiment på varmt tätt kväve och förutsägelser baserade på resultaten av DFT-simuleringarna.
"Vi visade att densitetsfunktionella teorin fungerar riktigt bra för att beskriva våra experiment. Det här är ett mycket strikt och användbart test," sa Kim.
Forskningen är en del av ett Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-projekt för att utveckla nya laserdrivna experimentella dynamiska kompressionstekniker med diamond städcell (DAC) mål. Dessa tekniker skulle kunna reda ut nya fysik- och kemifenomen i blandningar med lågt atomnummer, såsom de som är rika på vatten, över ett brett spektrum av aldrig tidigare skådade tryck-temperatur-densitetsförhållanden. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.
In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.
"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Utforska vidare
