Um novo dispositivo super-rápido de alta pressão na fonte de luz de raios X do DESY, PETRA III, permite aos cientistas simular e estudar terremotos e impactos de meteoritos de forma mais realista no laboratório. A célula de bigorna de diamante dinâmico de nova geração (dDAC), desenvolvido por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), DESY, a fonte de radiação síncrotron europeia ESRF, e as universidades de Oxford, Bayreuth e Frankfurt / Main, comprime amostras mais rápido do que qualquer dispositivo semelhante antes. O instrumento pode aumentar a pressão a uma taxa recorde de 1,6 bilhões de atmosferas por segundo (160 terapascais por segundo, TPa / s) e pode ser usado para uma ampla variedade de estudos dinâmicos de alta pressão. Os desenvolvedores apresentam seu novo dispositivo, que já provou suas capacidades em vários experimentos de materiais, no jornal Revisão de instrumentos científicos .

"Por mais de meio século, a bigorna de diamante ou DAC tem sido a principal ferramenta para criar altas pressões estáticas para estudar a física e a química de materiais sob essas condições extremas, por exemplo, para explorar as propriedades físicas dos materiais no centro da Terra em 3,5 milhões de atmosferas, "disse o autor principal Zsolt Jenei do LLNL. Para simular processos dinâmicos rápidos como terremotos e impactos de asteróides de forma mais realista com altas taxas de compressão no laboratório, A equipe de Jenei, em colaboração com cientistas do DESY, agora desenvolveu uma nova geração de célula de bigorna de diamante acionada dinamicamente (dDAC), inspirado no design pioneiro LLNL original, e acoplado com a nova configuração rápida de difração de raios-X do Extreme Conditions Beamline P02.2 no PETRA III.

A nova célula de bigorna de diamante dinâmica consiste em dois pequenos diamantes brilhantes modificados que são unidos por um poderoso acionamento piezoelétrico. Graças a melhorias como os atuadores piezoelétricos muito mais fortes e rápidos, amplificadores de corrente de pico alto o novo dispositivo é capaz de comprimir as minúsculas amostras entre as bigornas de diamante mais de mil vezes mais rápido do que os instrumentos anteriores.

Para estudar as mudanças nas propriedades físicas dos materiais sob alta pressão, os cientistas projetam raios-X nas pequenas amostras e registram a maneira como os raios-X são difratados pelo material. Esses padrões de difração permitem calcular a estrutura interna do material. Contudo, para tirar instantâneos de processos dinâmicos de alta velocidade, o flash de raio-X precisa ser brilhante o suficiente e a câmera, o detector, deve ser rápido o suficiente.

"Por quase dez anos, desde a primeira invenção do dDAC em nosso Laboratório, tem sido extremamente difícil conduzir experimentos de difração rápida devido à falta de fluxo de fótons e detectores de difração de raios-X de alta energia mais importantes e rápidos, "explicou Jenei. Somente com o advento das fontes de raios X extremamente brilhantes de terceira geração, como PETRA III e o desenvolvimento de câmeras altamente sensíveis, como o detector Lambda de arseneto de gálio (GaAs) inventado pelo grupo de detectores DESY, isso se tornou possível para coletar imagens de difração com os tempos de exposição curtos e resolução temporal adequados.

O Extreme Conditions Beamline (ECB) no DESY tem os dois primeiros detectores GaAs Lambda do mundo. "Ao acioná-los com um atraso de 0,25 milissegundos, somos capazes de coletar até 4.000 quadros por segundo, "disse Hanns-Peter Liermann, o cientista da linha de luz responsável pelo BCE. Os detectores foram financiados por meio de um Projeto de Pesquisa Conjunta concedido pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa BMBF à Goethe University Frankfurt, onde Björn Winkler é o investigador principal.

Os pesquisadores que trabalham no projeto demonstraram o desempenho e a versatilidade da configuração experimental com estudos de compressão rápida de metais pesados ​​como ouro e bismuto, bem como compostos leves como gelo (H2O), e materiais planetários, como ferropericlase ((Mg0.8Fe0.2) O). Durante a realização de experimentos de difração rápida em ouro, a equipe demonstrou um aumento na pressão de 1000 atmosferas para 1, 400, 000 atmosferas em apenas 2,5 milissegundos (milésimo de segundo), resultando em uma taxa de compressão máxima de 160 TPa / s. Durante esse tempo extremamente curto, os detectores coletaram oito padrões de difração em todo o caminho de compressão.

"Acreditamos que com a configuração existente podemos melhorar as taxas de compressão para talvez milhares de terapascals por segundo, "disse Liermann. No entanto, isso vai precisar de flashes de raios-X ainda mais brilhantes e câmeras ainda mais rápidas, como as que serão fornecidas por ambos, a atualização planejada de PETRA III para uma fonte de raios-X de próxima geração PETRA IV e a estação experimental de alta densidade de energia (HED) no laser de raios-X europeu XFEL europeu, onde DESY está participando na construção de uma configuração de dDAC como parte do consórcio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF).