Les atomes se comportent très différemment lorsqu'ils sont soumis à des pressions supérieures à un million, voire à un milliard, de fois la pression atmosphérique sur Terre. Comprendre comment les atomes réagissent dans de telles conditions de haute pression peut conduire à la création de nouveaux matériaux et donner aux scientifiques des informations précieuses sur la composition des étoiles et des planètes, ainsi que l'univers lui-même.

Ce sont parmi les raisons pour lesquelles l'Université de Rochester a tourné son attention vers le domaine relativement nouveau de la physique des hautes densités d'énergie. Une autre raison est que l'Université est bien placée pour apporter des contributions majeures dans le domaine.

« Notre personnel et nos ressources nous placent dans une position unique pour acquérir des connaissances cruciales dans le domaine de la physique des hautes densités d'énergie, ", déclare Rob Clark, Provost et vice-président principal de la recherche.

Laboratoire d'énergétique laser de Rochester, par exemple, abrite le laser OMEGA. A 10 mètres de haut et 100 mètres de long, l'OMEGA est le plus grand laser universitaire au monde.

Rochester a également recruté Gilbert "Rip" Collins pour diriger un nouveau initiative de recherche multidisciplinaire pour la physique des hautes densités d'énergie. Collins était auparavant directeur du Lawrence Livermore National Laboratory's Center for High-Energy-Density Physics, et est maintenant professeur au Département de génie mécanique et au Département de physique et d'astronomie, ainsi que scientifique principal au Laboratoire d'énergétique laser de l'Université. Collins dit que l'initiative « facilitera la collaboration entre la chimie, ingénierie, la physique, et l'astronomie, " conduisant à des avancées plus rapides dans le domaine.

études Collins, entre autres, comment les atomes se lient dans des conditions de pression extrême. Typiquement, ce sont les électrons les plus externes d'un atome qui réagissent avec les électrons d'autres atomes. Mais lorsque la pression sur les atomes est fortement augmentée, les électrons internes s'en mêlent, et c'est là que le plaisir commence.

"Sous une pression extrême, les propriétés chimiques des éléments que nous connaissons ne s'appliquent plus, " dit-il. " Nous avons besoin de nouveaux tableaux périodiques pour différentes conditions de pression. "

Le diamant est un matériau bien connu qui se forme sous haute pression. Placez du carbone à 100 miles de profondeur dans la terre, là où la pression est de près de 50, 000 fois supérieure à ce qui existe à la surface de la terre et les températures sont supérieures à 2, 000 degrés Fahrenheit—et les atomes deviennent hautement organisés dans une structure que nous appelons un diamant.

Pourtant, ce niveau de pression se situe au bas de l'échelle en ce qui concerne la physique des hautes densités d'énergie. A des pressions plus extrêmes, comme deux millions d'atmosphères, le sodium est transformé en isolant; à 10 millions d'atmosphères, on pense que l'hydrogène peut être transformé en un superfluide supraconducteur; et lorsque les pressions dépassent 200 millions d'atmosphères, il peut être possible de rendre l'aluminium transparent.

Le laser OMEGA permet aux chercheurs d'atteindre de telles pressions.

"Beaucoup de gens pensent que les lasers sont une source de chaleur intense, " dit Collins. " Les lasers peuvent également fonctionner comme une source de pression très focalisée, et le laser OMEGA nous permet d'étudier les matériaux à des pressions de millions à milliards d'atmosphères. matériaux exotiques, " il ajoute.

Robert McCrory, vice-président et directeur du Laboratoire d'énergétique laser, dit Collins, qui jouit d'une réputation internationale, "est parfaitement apte à diriger l'effort à l'Université." Il note que des installations telles que le laboratoire laser, le National Ignition Facility de Lawrence Livermore, où Collins travaillait auparavant, ainsi que la machine Z chez Sandia National Laboratories, « ont ouvert la nouvelle frontière de la physique à haute densité énergétique » et assuré le leadership américain dans le domaine.

Mais la physique des hautes densités d'énergie ne se résume pas à la création de nouveaux matériaux. Michael Campbell, directeur adjoint du Laboratoire d'énergétique laser, appelle le domaine une « science durable ».

« Il y aura toujours de nouveaux domaines à explorer, y compris la nature de l'univers lui-même, " dit-il. " La pression au centre des planètes dépasse des millions d'atmosphères et des centaines de milliards pour les étoiles. La physique à haute densité d'énergie peut être la clé pour nous aider à apprendre de quoi sont faites les planètes et les étoiles, qu'il s'agisse, comme la terre, ils ont des champs magnétiques, et comment le rayonnement et l'énergie circulent à l'intérieur de notre soleil et d'autres étoiles."