Investigar como a matéria sólida se comporta a enormes pressões, como as encontradas no interior profundo de planetas gigantes, é um grande desafio experimental. Para ajudar a enfrentar esse desafio, pesquisadores e colaboradores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) mergulharam profundamente na compreensão dessas pressões extremas.
O trabalho acaba de ser publicado em Nature Physics com o cientista do LLNL Martin Gorman como autor principal.

"Nossos resultados representam um avanço experimental significativo; fomos capazes de investigar o comportamento estrutural do magnésio (Mg) em pressões extremas - mais de três vezes maiores do que no núcleo da Terra - que anteriormente eram acessíveis apenas teoricamente", disse Gorman. "Nossas observações confirmam as previsões teóricas para o Mg e demonstram como as pressões de TPa - 10 milhões de vezes a pressão atmosférica - forçam os materiais a adotar comportamentos químicos e estruturais fundamentalmente novos".

Gorman disse que os métodos computacionais modernos sugeriram que os elétrons do núcleo ligados aos átomos vizinhos começam a interagir a pressões extremas, causando a quebra das regras convencionais de ligação química e formação de estrutura cristalina.

"Talvez a previsão teórica mais impressionante seja a formação de 'eletrodos' de alta pressão em metais elementares, onde os elétrons livres da banda de valência são espremidos em estados localizados dentro dos espaços vazios entre os íons para formar configurações pseudo-iônicas", disse ele. "Mas atingir as pressões necessárias, muitas vezes acima de 1 TPa, é muito desafiador experimentalmente."

Gorman explicou o trabalho descrevendo a melhor maneira de organizar as bolas em um barril. A sabedoria convencional sugere que átomos sob pressão, como bolas em um barril, devem preferir empilhar da maneira mais eficiente possível.

“Para caber o número máximo de bolas em um barril, elas devem ser empilhadas da forma mais eficiente possível, como um padrão de embalagem fechada hexagonal ou cúbica”, disse Gorman. "Mas mesmo as embalagens mais próximas são apenas 74% eficientes e 26% ainda são espaços vazios, portanto, incluindo bolas menores de tamanho correto, uma embalagem de bolas mais eficiente pode ser realizada.

"O que nossas descobertas sugerem é que, sob imensa pressão, os elétrons de valência, que normalmente são livres para se mover pelo metal Mg, ficam localizados nos espaços vazios entre os átomos e, assim, formam um íon quase sem massa e carregado negativamente", disse ele. "Agora existem bolas de dois tamanhos diferentes - íons de Mg carregados positivamente e elétrons de valência localizados carregados negativamente - o que significa que o Mg pode empacotar com mais eficiência e, portanto, essas estruturas de 'eletrodos' tornam-se energeticamente favoráveis ​​ao empacotamento fechado."

O trabalho descrito no artigo exigiu seis dias de tiro no National Ignition Facility (NIF) entre 2017 e 2019. Membros de uma colaboração internacional viajaram para o LLNL para observar o ciclo de tiro e ajudar a analisar os dados nos dias seguintes a cada experimento.

Os experimentos de laser de alta potência de última geração no NIF, juntamente com técnicas de difração de raios X de nanossegundos, fornecem a primeira evidência experimental - em qualquer material - de estruturas de eletreto se formando acima de 1 TPa.

"Nós comprimimos o Mg elementar em rampa, mantendo o estado sólido até pressões de pico de 1,32 TPa (mais de três vezes a pressão no centro da Terra), e observamos o Mg se transformando em quatro novas estruturas cristalinas", disse Gorman. “As estruturas formadas são abertas e têm empacotamento atômico ineficiente, o que contradiz nosso entendimento tradicional de que átomos esféricos em cristais devem empacotar de forma mais eficiente com o aumento da compressão”.

No entanto, é justamente essa ineficiência do empacotamento atômico que estabiliza essas estruturas abertas em pressões extremas, uma vez que o espaço vazio é necessário para acomodar melhor os elétrons de valência localizados. A observação direta de estruturas abertas em Mg é a primeira evidência experimental de como as interações eletrônicas núcleo-núcleo e núcleo-núcleo podem influenciar estruturas materiais em pressões TPa. A transformação observada entre 0,96-1,32 TPa é a transição de fase estrutural de maior pressão já observada em qualquer material, e a primeira em pressões TPa, de acordo com os pesquisadores.

Gorman disse que esses tipos de experimentos atualmente só podem ser realizados no NIF e abrem as portas para novas áreas de pesquisa. + Explorar mais

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