As propriedades dos materiais sob condições extremas são de interesse fundamental para uma série de campos, incluindo geofísica planetária, ciência dos materiais e fusão de confinamento inercial (ICF). Em geofísica, a equação de estado de materiais planetários como hidrogênio e ferro sob ultra-alta pressão e densidade proporcionará um melhor entendimento de sua formação e estrutura interna.

Em uma palestra tutorial durante uma reunião virtual da American Physical Society Division of Plasma Physics em novembro, O físico Hye-Sook Park do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) discutiu as várias técnicas experimentais e as principais descobertas dos estados materiais sob condições de densidade de energia extremamente alta (HED) com base no trabalho realizado no LLNL e em outras instalações ao redor do mundo. A condição HED para estudos de materiais é definida como sendo a condição de alta pressão superior a 100 gigapascais (GPa) ou 1 milhão de vezes superior à pressão atmosférica ao nível do mar.

O trabalho apresentado por Park agora é destaque em um artigo em Física dos Plasmas .

"Este artigo fornece uma visão geral do estudo de materiais de alta pressão de alta densidade de energia, descrevendo seus principais diagnósticos e as principais descobertas, "Park disse." Este artigo foi escrito para aqueles que desejam aprender os estudos de materiais no regime de HED em alto nível. "

Park disse que a pesquisa apresentada no artigo é importante para muitas áreas da geofísica, programas de ciência de materiais e administração de estoques. A pesquisa também continuará em todas as instalações do HED em todo o mundo, incluindo recursos de próxima geração, como sistemas petawatt de alta taxa de repetição e novos diagnósticos, como sistemas de imagem de raios-X de resolução de tempo que irão avançar ainda mais no conhecimento de materiais em condições extremas.

O artigo analisa os resultados de cinco áreas, incluindo a equação do estado do ferro, o material do núcleo da Terra; isolador de hidrogênio para transição de metal que é importante para as propriedades do campo magnético nos planetas de Júpiter; mudanças de fase em silício e diamante em alta pressão; água no estado superiônico sob alta pressão; e força de chumbo sob alta pressão.

Compreendendo condições extremas

Park explicou que a pressão do núcleo interno da Terra é de 350 gigapascais (GPa), ou 3,5 milhões de vezes maior do que a pressão atmosférica ao nível do mar. Sob tais condições extremas, materiais planetários, como hidrogênio e silício e materiais comuns como chumbo, pode mudar sua densidade, temperatura, estruturas e força da rede atômica. Por exemplo, estudar as equações de estado de diferentes materiais planetários sob ultra-alta pressão e densidade fornece uma melhor compreensão da formação da Terra e da estrutura interna. Os cientistas da física HED investigam como os estados da matéria mudam sob pressões extremas:aproximadamente 100 GPa a 10, 000 GPa, ou 1 milhão a 100 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra.

Os pesquisadores podem criar pressões ultra-altas nas instalações do HED, como a National Ignition Facility (NIF) do LLNL, Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory, Omega na University of Rochester e Z machine no Sandia National Laboratories para conduzir estudos de materiais sob condições extremas.

"Podemos criar pressões ultra-altas nessas instalações para conduzir estudos de materiais sob condições extremas, usando a unidade de ablação a laser ou unidade magnética, "Park disse.

As medições exigiam a combinação dos princípios da física do plasma com a tecnologia de diagnóstico avançada. Os princípios da física do plasma são criar as unidades de alta pressão para criar compressão com choque ou em rampa.

Um exemplo de diagnóstico inclui o sistema de interferômetro de velocidade para qualquer refletor (VISAR) que mede a velocidade do som em diferentes espessuras de amostra para medir a equação de estado, relação de pressão e densidade. Outros exemplos incluem a difração dinâmica usando fontes de raios-X quase monoenergéticas da fonte de luz ou de raios-X acionados por laser; um espectrômetro de raios-X de resolução ultra-alta para entender as oscilações atômicas para medir a temperatura da amostra; e radiografia de raios-X de alta energia para realizar uma radiografia de face no crescimento da perturbação da superfície para compreender a resistência do material.

Vários experimentos NIF e LCLS, Omega e Z são descritos no artigo. O poderoso sistema de laser do NIF, juntamente com diagnósticos requintados, permite que os cientistas alcancem pressões sem precedentes no laboratório e produzam resultados inesperados / surpreendentes que restringem teorias e modelos que não eram possíveis sem resultados experimentais.