Las ondas de choque impulsadas por láser que alcanzan varios millones de atmósferas rompen el enlace triple extremadamente fuerte de las moléculas de nitrógeno y liberan una fracción de los electrones de la capa L de los átomos disociados. Crédito:Liam Krauss/LLNL
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) obtuvieron recientemente datos termodinámicos de alta precisión sobre nitrógeno cálido y denso en condiciones extremas que podrían conducir a una mejor comprensión del interior de los objetos celestes como las enanas blancas y los exoplanetas.
El equipo, que incluye investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Rochester, utilizó una técnica avanzada que combina la compresión previa en una celda de yunque de diamante y la compresión de choque impulsada por láser en el Omega Laser Facility de la Universidad de Rochester. .
Moléculas de nitrógeno (N2 ) componen el 78% del aire que respiramos. Son únicos porque los dos átomos de nitrógeno en N2 están unidos con un enlace covalente triple, que es el más fuerte de todas las moléculas diatómicas simples. El nitrógeno también es un componente importante de los cuerpos celestes en el sistema solar exterior y más allá. Por ejemplo, amoníaco (NH3 ) se cree que existen tormentas en planetas gigantes como Júpiter, mientras que el planeta enano Plutón, la luna helada Titán de Saturno y la luna helada Tritón de Neptuno tienen N2 -ambientes ricos.
Estudios previos con esta poderosa técnica revelaron evidencia experimental de hielo de agua superiónica y lluvia de helio en planetas gigantes gaseosos. En la nueva investigación, el equipo realizó experimentos de choque en fluido de nitrógeno molecular precomprimido hasta 800 GPa (~8 millones de atmósferas) de presión.
Observaron firmas claras para la finalización de la disociación molecular cerca de 70 a 100 GPa y 5 a 10 kK (miles de Kelvin) y el inicio de la ionización de los electrones más externos por encima de 400 GPa y 50 kK.
"Es muy emocionante que podamos usar ondas de choque para romper estas moléculas y comprender cómo la presión y la densidad inducen cambios en los enlaces químicos", dijo el físico del LLNL Yong-Jae Kim, autor principal de un artículo que aparece en Physical Review Letters . "Estudiar cómo romper moléculas de nitrógeno y cómo liberar electrones es una gran prueba para las simulaciones por computadora y modelos teóricos más avanzados".
El equipo también teorizó que el estudio del nitrógeno podría ayudar a develar algunos de los misterios relacionados con el comportamiento de las moléculas de hidrógeno en la etapa inicial de las implosiones de fusión por confinamiento inercial en la Instalación Nacional de Ignición.
"Si bien el nitrógeno y el hidrógeno son moléculas diatómicas ligeras, los átomos de hidrógeno son tan pequeños que reproducir su comportamiento bajo presión y temperatura extremas con simulaciones por computadora es muy complejo", dijo Kim.
El equipo analizó más de cerca la comparación entre los datos experimentales en la nueva investigación y las curvas de presión-densidad simuladas correspondientes a partir de diferentes densidades iniciales. La comparación brindó mayor confianza en la capacidad de las simulaciones por computadora que utilizan la técnica de dinámica molecular de la teoría funcional de la densidad (DFT) para capturar con precisión los cambios sutiles de la física cuántica en las propiedades del material en estas condiciones previamente no documentadas. En particular, los nuevos datos resolvieron una desconcertante discrepancia entre los experimentos anteriores sobre nitrógeno cálido y denso y las predicciones basadas en los resultados de las simulaciones DFT.
"Demostramos que la teoría funcional de la densidad funciona muy bien para describir nuestros experimentos. Esta es una prueba muy estricta y útil", dijo Kim.
La investigación es parte de un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) para desarrollar nuevas técnicas experimentales de compresión dinámica impulsadas por láser con objetivos de celda de yunque de diamante (DAC). Estas técnicas podrían desentrañar nuevos fenómenos físicos y químicos en mezclas de bajo número atómico, como las ricas en agua, en una amplia gama de condiciones de presión, temperatura y densidad sin precedentes. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.
In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.
"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." Experiments validate the possibility of helium rain inside Jupiter and Saturn
