La chambre expérimentale de la station Matter in Extreme Conditions de la source de lumière cohérente Linac du SLAC. Cette chambre a été utilisée pour une expérience étudiant la transformation de la silice fondue en stishovite, un minéral dur. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Les scientifiques de Stanford exploitent la puissance des faisceaux de rayons X focalisés pour étudier les transformations subies par les roches sous une chaleur et une pression intenses. La technique pourrait fournir de nouvelles informations sur les anciens événements d'impact d'astéroïdes comme ceux qui ont frappé la Terre primitive et ont joué un rôle crucial dans la formation d'autres planètes rocheuses.
"Pour la première fois, nous pouvons commencer à démêler la transformation ultrarapide d'un échantillon de roche au cours d'un processus dynamique comme la compression par choc. En prenant une série d'instantanés, nous pouvons capturer ce qui se passe lors de processus très rapides, " dit Wendy Mao, professeur agrégé de sciences géologiques et de science des photons.
En utilisant le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC National Accelerator Laboratory, Mao et Arianna Gleason, chercheur postdoctoral au Laboratoire national de Los Alamos et chercheur invité au Laboratoire des environnements extrêmes de Mao, effectuent des expériences qui leur permettent d'assister aux transformations rapides des roches choquées.
D'abord, ils utilisent des lasers optiques de haute puissance pour surchauffer une infime partie d'un échantillon de roche et créer un plasma. "La partie de la roche touchée par le laser devient un plasma qui s'envole, et il souffle si vite qu'il crée une onde de choc se déplaçant dans l'autre sens, " explique Gleason.
La chaleur et la compression générées par l'onde de choc en mouvement modifient la structure cristalline de l'échantillon de roche restant, réarrangeant ses atomes dans un minéral différent.
Création de stishovite avec la lumière laser :les bandes blanchâtres qui apparaissent dans cette séquence compilée d'images produites par rayons X permettent aux scientifiques d'identifier l'émergence ultrarapide de la stishovite minérale après des échantillons choquants de silice fondue avec un laser à haute puissance. Le retard dans cette séquence est mesuré en nanosecondes. Crédit :Arianna Gleason/Laboratoire national de Los Alamos
Afin d'éclairer et d'enregistrer les propriétés du minéral changeant, les scientifiques tirent une rafale de faisceaux de rayons X focalisés du LCLS sur l'échantillon quelques nanosecondes seulement après la première impulsion laser. "Les rayons X ont une longueur d'onde juste pour nous permettre de mesurer les distances entre les atomes, " Dit Gleason. " Sur la base de la position des atomes, nous pouvons dire exactement de quel matériau il s'agit."
En faisant varier l'heure d'arrivée des rayons X, les scientifiques peuvent générer une série d'instantanés du minéral à mesure qu'il évolue au fil du temps. La création d'une série chronologique représentant 50 nanosecondes de changements de roches peut nécessiter 6 à 12 heures en laboratoire.
En utilisant leur technique, Mao et Gleason ont récemment montré que le minéral stishovite, un rare, forme de silice extrêmement dure et dense, peut se former en quelques nanosecondes, ou des milliardièmes de seconde - des dizaines voire des centaines de fois plus vite qu'on ne le pensait auparavant.
"Le comportement à haute pression de la silice a été largement étudié en raison de son application non seulement à la science planétaire mais à la physique fondamentale, la chimie et la science des matériaux aussi, ", dit Mao. "Cette étude fournit un aperçu critique du mécanisme derrière la façon dont différentes formes de silice se transforment d'une structure à une autre."
Des amas naturels de cristal de quartz comme ceux-ci se forment lorsque les roches sont soumises à une pression intense. Les scientifiques du Laboratoire des environnements extrêmes utilisent des impulsions de rayons X pour créer des instantanés de la transformation. Crédit :Université de Stanford
