Las propiedades de los materiales en condiciones extremas son de interés clave para varios campos, incluida la geofísica planetaria, ciencia de materiales y fusión por confinamiento inercial (ICF). En geofísica, La ecuación de estado de los materiales planetarios como el hidrógeno y el hierro bajo una presión y densidad ultraaltas proporcionará una mejor comprensión de su formación y estructura interior.

En una charla tutorial durante una reunión virtual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en noviembre, El físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), Hye-Sook Park, analizó las diversas técnicas experimentales y los hallazgos clave de los estados de los materiales en condiciones de densidad de energía extremadamente alta (HED) basándose en el trabajo realizado en LLNL y otras instalaciones en todo el mundo. La condición HED para estudios de materiales se define como la condición de alta presión de más de 100 gigapascales (GPa) o 1 millón de veces más alta que la presión atmosférica al nivel del mar.

El trabajo presentado por Park ahora aparece en un artículo en Física de Plasmas .

"Este documento proporciona una descripción general del estudio de materiales de alta presión de alta densidad de energía que describe sus diagnósticos clave y los descubrimientos clave, ", Dijo Park." Este documento está escrito para aquellos que quieren aprender los estudios de materiales en el régimen de HED en un alto nivel ".

Park dijo que la investigación presentada en el documento es importante para muchas áreas de la geofísica, ciencia de materiales y programas de administración de existencias. La investigación también continuará en todas las instalaciones de HED en todo el mundo, incluidas las instalaciones de próxima generación, como los sistemas de petavatios de alta tasa de repetición y los nuevos diagnósticos, como los sistemas de imágenes de rayos X de resolución temporal, que avanzarán aún más en el conocimiento de los materiales en condiciones extremas.

El artículo revisa los resultados de cinco áreas, incluida la ecuación del estado del hierro, el material del núcleo de la Tierra; Aislante de hidrógeno a la transición de metal que es importante para las propiedades del campo magnético en los planetas jovianos; cambios de fase en silicio y diamante a muy alta presión; agua en estado superiónico a alta presión; y resistencia del plomo a alta presión.

Comprender las condiciones extremas

Park explicó que la presión del núcleo interno de la Tierra es de 350 gigapascales (GPa), o 3,5 millones de veces más alta que la presión atmosférica al nivel del mar. En condiciones tan extremas, materiales planetarios, como el hidrógeno y el silicio y materiales comunes como el plomo, puede cambiar su densidad, temperatura, estructuras de celosía atómica y resistencia. Por ejemplo, El estudio de las ecuaciones de estado de diferentes materiales planetarios bajo presión y densidad ultraaltas proporciona una mejor comprensión de la formación y estructura interior de la Tierra. Los científicos en física HED investigan cómo cambian los estados de la materia bajo presiones extremas:aproximadamente 100 GPa a 10, 000 GPa, o de 1 millón a 100 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra.

Los investigadores pueden crear presiones ultra altas en las instalaciones de HED, como la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de LLNL, Fuente de luz coherente Linac (LCLS) en SLAC National Accelerator Laboratory, Omega en la Universidad de Rochester y máquina Z en Sandia National Laboratories para realizar estudios de materiales en condiciones extremas.

"Podemos crear presiones ultraaltas en estas instalaciones para realizar estudios de materiales en condiciones extremas utilizando un impulsor de ablación láser o un impulsor magnético, "Dijo Park.

Las mediciones requerían combinar los principios de la física del plasma con la tecnología de diagnóstico avanzada. Los principios de la física del plasma son crear los impulsores de alta presión para crear una compresión con choque o en rampa.

Un ejemplo de diagnóstico incluye el sistema de interferómetro de velocidad para cualquier reflector (VISAR) que mide la velocidad del sonido en diferentes espesores de muestra para medir la ecuación de estado, relación presión y densidad. Otros ejemplos incluyen la difracción dinámica usando fuentes de rayos X cuasi-monoenergéticas de la fuente de luz o rayos X impulsados ​​por láser; un espectrómetro de rayos X de ultra alta resolución para comprender las oscilaciones atómicas para medir la temperatura de la muestra; y radiografía de rayos X de alta energía para realizar una radiografía frontal sobre el crecimiento de la perturbación de la superficie para comprender la resistencia del material.

Varios experimentos NIF y LCLS, Omega y Z se describen en el documento. El potente sistema láser de NIF, junto con un diagnóstico exquisito, permite a los científicos alcanzar presiones sin precedentes en el laboratorio y producir resultados inesperados / sorprendentes que limitan teorías y modelos que no serían posibles sin resultados experimentales.