Investigar cómo se comporta la materia sólida a presiones enormes, como las que se encuentran en los interiores profundos de los planetas gigantes, es un gran desafío experimental. Para ayudar a abordar ese desafío, los investigadores y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) se sumergieron profundamente en la comprensión de estas presiones extremas.

El trabajo acaba de publicarse en Nature Physics con el científico del LLNL Martin Gorman como autor principal.

"Nuestros resultados representan un avance experimental significativo; pudimos investigar el comportamiento estructural del magnesio (Mg) a presiones extremas, más de tres veces más altas que en el núcleo de la Tierra, que anteriormente solo eran accesibles teóricamente", dijo Gorman. "Nuestras observaciones confirman las predicciones teóricas para el Mg y demuestran cómo las presiones TPa (10 millones de veces la presión atmosférica) obligan a los materiales a adoptar comportamientos químicos y estructurales fundamentalmente nuevos".

Gorman dijo que los métodos computacionales modernos han sugerido que los electrones del núcleo unidos a los átomos vecinos comienzan a interactuar a presiones extremas, lo que hace que las reglas convencionales de enlace químico y formación de estructuras cristalinas se rompan.

"Quizás la predicción teórica más llamativa es la formación de 'electrodos' de alta presión en los metales elementales, donde los electrones libres de la banda de valencia se comprimen en estados localizados dentro de los espacios vacíos entre los iones para formar configuraciones pseudoiónicas", dijo. "Pero alcanzar las presiones requeridas, a menudo por encima de 1 TPa, es un gran desafío experimentalmente".

Gorman explicó el trabajo describiendo la mejor manera de colocar bolas en un barril. La sabiduría convencional sugiere que los átomos bajo presión, como bolas en un barril, deberían preferir apilarse de la manera más eficiente posible.

"Para que quepan la cantidad máxima de bolas en un barril, deben apilarse de la manera más eficiente posible, como un patrón de empaque compacto hexagonal o cúbico", dijo Gorman. "Pero incluso los empaques más cercanos tienen solo un 74 % de eficiencia y el 26 % sigue siendo espacio vacío, por lo que al incluir bolas más pequeñas del tamaño correcto se puede lograr un empaque de bolas más eficiente.

"Lo que nuestros hallazgos sugieren es que bajo una inmensa presión, los electrones de valencia, que normalmente son libres de moverse por todo el metal Mg, se localizan en los espacios vacíos entre los átomos y, por lo tanto, forman un ion con carga negativa, casi sin masa", dijo. "Ahora hay bolas de dos tamaños diferentes:iones de Mg cargados positivamente y electrones de valencia localizados cargados negativamente, lo que significa que el Mg puede empaquetarse de manera más eficiente y, por lo tanto, tales estructuras de 'electruro' se vuelven energéticamente favorables en un empaquetamiento cerrado".

El trabajo descrito en el documento requirió seis días de disparo en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) entre 2017 y 2019. Los miembros de una colaboración internacional viajaron a LLNL para observar el ciclo de disparo y ayudar a analizar los datos en los días posteriores a cada experimento.

Los experimentos con láser de alta potencia de última generación en el NIF, junto con técnicas de difracción de rayos X de nanosegundos, proporcionan la primera evidencia experimental, en cualquier material, de estructuras de electruro que se forman por encima de 1 TPa.

"Comprimimos en rampa el Mg elemental, manteniendo el estado sólido hasta presiones máximas de 1,32 TPa (más de tres veces la presión en el centro de la Tierra), y observamos que el Mg se transformaba en cuatro nuevas estructuras cristalinas", dijo Gorman. "Las estructuras formadas están abiertas y tienen un empaquetamiento atómico ineficiente, lo que contradice nuestra comprensión tradicional de que los átomos esféricos en los cristales deberían empaquetarse de manera más eficiente al aumentar la compresión".

Sin embargo, es precisamente esta ineficiencia del empaquetamiento atómico lo que estabiliza estas estructuras abiertas a presiones extremas, ya que se requiere el espacio vacío para acomodar mejor los electrones de valencia localizados. La observación directa de estructuras abiertas en Mg es la primera evidencia experimental de cómo las interacciones de electrones de valencia-núcleo y núcleo-núcleo pueden influir en las estructuras materiales a presiones TPa. La transformación observada entre 0,96 y 1,32 TPa es la transición de fase estructural de mayor presión observada hasta ahora en cualquier material, y la primera a presiones de TPa, según los investigadores.

Gorman dijo que este tipo de experimentos actualmente solo se pueden realizar en el NIF y abren la puerta a nuevas áreas de investigación. + Explora más

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