Un nuevo dispositivo ultrarrápido de alta presión en la fuente de luz de rayos X de DESY, PETRA III, permite a los científicos simular y estudiar terremotos e impactos de meteoritos de manera más realista en el laboratorio. La celda dinámica de yunque de diamante (dDAC) de nueva generación, desarrollado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), DESY, la fuente de radiación europea sincrotrón ESRF, y las universidades de Oxford, Bayreuth y Frankfurt / Main, comprime muestras más rápido que cualquier dispositivo similar anterior. El instrumento puede aumentar la presión a una velocidad récord de 1,6 mil millones de atmósferas por segundo (160 terapascales por segundo, TPa / s) y se puede utilizar para una amplia gama de estudios dinámicos de alta presión. Los desarrolladores presentan su nuevo dispositivo, que ya ha demostrado sus capacidades en varios experimentos con materiales, en el diario Revisión de instrumentos científicos .

"Durante más de medio siglo, la celda de yunque de diamante o DAC ha sido la herramienta principal para crear altas presiones estáticas para estudiar la física y la química de los materiales en esas condiciones extremas, por ejemplo, para explorar las propiedades físicas de los materiales en el centro de la Tierra a 3,5 millones de atmósferas, ", dijo el autor principal Zsolt Jenei de LLNL. Para simular procesos dinámicos rápidos como terremotos e impactos de asteroides de manera más realista con altas tasas de compresión en el laboratorio, El equipo de Jenei, en colaboración con científicos de DESY, ahora desarrolló una nueva generación de celdas de yunque de diamante impulsadas dinámicamente (dDAC), inspirado en el pionero diseño LLNL original, y lo combinó con la nueva configuración de difracción rápida de rayos X de la línea de haz de condiciones extremas P02.2 en PETRA III.

La nueva celda de yunque de diamante dinámico consta de dos pequeños diamantes brillantes modificados que se unen mediante un potente accionamiento piezoeléctrico. Gracias a mejoras como los actuadores piezoeléctricos mucho más fuertes y rápidos, Amplificadores de corriente de pico alto:el nuevo dispositivo es capaz de comprimir las pequeñas muestras entre los yunques de diamante más de mil veces más rápido que los instrumentos anteriores.

Para estudiar los cambios en las propiedades físicas de los materiales a alta presión, Los científicos proyectan rayos X sobre las muestras pequeñas y registran la forma en que el material difracta los rayos X. Estos patrones de difracción permiten calcular la estructura interna del material. Sin embargo, para tomar instantáneas de procesos dinámicos de alta velocidad, el flash de rayos X debe ser lo suficientemente brillante y la cámara, el detector, debe ser lo suficientemente rápido.

"Durante casi diez años, desde la primera invención del dDAC en nuestro laboratorio, Ha sido extremadamente difícil realizar experimentos de difracción rápida debido a la falta de flujo de fotones y a los detectores de difracción de rayos X de alta energía, más importantes, rápidos y altamente sensibles. ", explicó Jenei. Sólo con el advenimiento de las fuentes de rayos X de tercera generación extremadamente brillantes como PETRA III y el desarrollo de cámaras altamente sensibles como el detector Lambda de arseniuro de galio (GaAs) inventado por el grupo de detectores DESY se hizo posible para recolectar imágenes de difracción con los tiempos de exposición cortos y la resolución temporal adecuados.

La línea de haz de condiciones extremas (ECB) de DESY tiene los dos primeros detectores Lambda de GaAs del mundo. "Al activarlos con un retraso de 0,25 milisegundos, podemos recopilar hasta 4000 fotogramas por segundo, "dijo Hanns-Peter Liermann, el científico de la línea de luz a cargo del BCE. Los detectores fueron financiados a través de un proyecto de investigación conjunto otorgado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania BMBF a la Universidad Goethe de Frankfurt. donde Björn Winkler es el investigador principal.

Los investigadores que trabajan en el proyecto han demostrado el rendimiento y la versatilidad de la configuración experimental con estudios de compresión rápida de metales pesados ​​como el oro y el bismuto, así como compuestos ligeros como el hielo (H2O), y materiales planetarios tales como ferropericlasa ((Mg0.8Fe0.2) O). Mientras realizaba experimentos de difracción rápida en oro, el equipo demostró un aumento en la presión de 1000 atmósferas a 1, 400, 000 atmósferas en solo 2,5 milisegundos (milésimas de segundo), resultando en una tasa de compresión máxima de 160 TPa / s. Durante este tiempo extremadamente corto, los detectores recogieron ocho patrones de difracción a lo largo de la ruta de compresión completa.

"Creemos que con la configuración existente podemos mejorar las tasas de compresión a quizás miles de terapascales por segundo, "dijo Liermann. Sin embargo, esto necesitará flashes de rayos X aún más brillantes y cámaras aún más rápidas como las que proporcionarán ambos, la actualización planificada de PETRA III a una fuente de rayos X de próxima generación PETRA IV y la estación experimental de alta densidad de energía (HED) en el láser de rayos X europeo European XFEL, donde DESY participa en la construcción de una configuración dDAC como parte del consorcio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF).