Dans ce rendu artistique de l'expérience de compression laser, les lasers à haute puissance se concentrent sur la surface d'un diamant, générer une séquence d'ondes de choc qui se propagent dans l'ensemble de l'échantillon (de gauche à droite), comprimer et chauffer simultanément l'échantillon d'eau initialement liquide, la forçant à geler dans la phase de glace d'eau superionique. Crédit :Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)
Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont utilisé des lasers géants pour congeler de l'eau dans sa phase superionique exotique et enregistrer des schémas de diffraction des rayons X pour identifier sa structure atomique pour la toute première fois, le tout en quelques milliardièmes de seconde. Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans La nature .
En 1988, les scientifiques ont d'abord prédit que l'eau passerait à un état exotique de la matière caractérisé par la coexistence d'un réseau solide d'oxygène et d'hydrogène de type liquide (la glace superionique) lorsqu'elle serait soumise aux pressions et températures extrêmes qui existent à l'intérieur du géant riche en eau. planètes comme Uranus et Neptune. Ces prévisions sont restées en place jusqu'en 2018, lorsqu'une équipe dirigée par des scientifiques de LLNL a présenté la première preuve expérimentale de cet étrange état de l'eau.
Maintenant, les scientifiques du LLNL décrivent de nouveaux résultats. En utilisant des ondes de choc laser et la diffraction des rayons X in situ, ils observent la nucléation d'un réseau cristallin d'oxygène en quelques milliardièmes de seconde, révélant pour la première fois la structure microscopique de la glace superionique.
Les données fournissent également un aperçu supplémentaire de la structure intérieure des planètes géantes de glace.
"Nous voulions déterminer la structure atomique de l'eau superionique, " a déclaré Federica Coppari, physicienne du LLNL, co-auteur principal de l'article. "Mais étant donné les conditions extrêmes dans lesquelles cet état insaisissable de la matière devrait être stable, comprimer l'eau à de telles pressions et températures et prendre simultanément des instantanés de la structure atomique était une tâche extrêmement difficile, qui nécessitait une conception expérimentale innovante."
Les chercheurs ont effectué une série d'expériences à l'Omega Laser Facility du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester. Ils ont utilisé six faisceaux laser géants pour générer une séquence d'ondes de choc d'intensité progressivement croissante pour comprimer une fine couche d'eau initialement liquide à des pressions extrêmes (100-400 gigapascals (GPa), ou 1 à 4 millions de fois la pression atmosphérique de la Terre) et les températures (3, 000-5, 000 degrés Fahrenheit).
"Nous avons conçu les expériences pour comprimer l'eau afin qu'elle gèle en glace solide, mais il n'était pas certain que les cristaux de glace se formeraient et grossiraient réellement dans les quelques milliardièmes de seconde que l'on puisse tenir aux conditions pression-température, " a déclaré Marius Millot, physicien et co-auteur principal du LLNL.
Dans cette photographie intégrée dans le temps d'une expérience de diffraction des rayons X, des lasers géants se concentrent sur l'échantillon d'eau, assis sur la plaque avant du diagnostic utilisé pour enregistrer les diagrammes de diffraction, pour le comprimer dans la phase superionique. Des faisceaux laser supplémentaires génèrent un flash de rayons X sur une feuille de fer qui permet aux chercheurs de prendre un instantané de la couche de compresse/eau chaude. Les diagnostics surveillent l'historique des impulsions laser et la luminosité de la source de rayons X émise. Crédit :Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
Pour documenter la cristallisation et identifier la structure atomique, l'équipe a fait exploser une minuscule feuille de fer avec 16 impulsions laser supplémentaires pour créer un plasma chaud, qui a généré un flash de rayons X précisément chronométré pour illuminer l'échantillon d'eau comprimée une fois amené dans le domaine de stabilité prédit de la glace superionique.
« Les diagrammes de diffraction des rayons X que nous avons mesurés sont une signature sans ambiguïté pour les cristaux de glace denses se formant pendant la compression ultrarapide des ondes de choc, démontrant que la nucléation de la glace solide à partir de l'eau liquide est suffisamment rapide pour être observée à l'échelle nanoseconde de l'expérience, " a déclaré Coppari.
"Dans les travaux précédents, nous ne pouvions mesurer que des propriétés macroscopiques telles que l'énergie interne et la température, " ajouta Millot. " Par conséquent, nous avons conçu une expérience nouvelle et différente pour documenter la structure atomique. Trouver des preuves directes de l'existence d'un réseau cristallin d'oxygène apporte la dernière pièce manquante au puzzle concernant l'existence de la glace d'eau superionique. Cela donne une force supplémentaire à la preuve de l'existence de la glace superionique que nous avons collectée l'année dernière."
En analysant la variation des diagrammes de diffraction des rayons X pour les différentes expériences sondant des conditions de pression et de température accrues, l'équipe a identifié une transition de phase vers une structure atomique cubique à face centrée (f.c.c.) auparavant inconnue pour la glace d'eau dense.
"L'eau est connue pour avoir de nombreuses structures cristallines différentes connues sous le nom de glace Ih, II, III, jusqu'au XVIIe, " dit Coppari. " Alors, nous proposons d'appeler le nouveau f.c.c. forme solide 'glace XVIII.' Des simulations informatiques ont proposé un certain nombre de différentes structures cristallines possibles pour la glace superionique. Notre étude fournit un test critique aux méthodes numériques."
Les données de l'équipe ont de profondes implications pour la structure intérieure des planètes géantes de glace. Puisque la glace superionique est finalement un solide, l'idée que ces planètes aient une couche fluide uniforme à convection rapide ne tient plus.
"Parce que la glace d'eau dans les conditions intérieures d'Uranus et de Neptune a un réseau cristallin, nous soutenons que la glace superionique ne devrait pas couler comme un liquide tel que le noyau externe de fer fluide de la Terre. Plutôt, il vaut probablement mieux imaginer que la glace superionique coulerait de la même manière que le manteau terrestre, qui est fait de roche solide, pourtant coule et supporte des mouvements convectifs à grande échelle sur de très longues échelles de temps géologiques, " a déclaré Millot. " Cela peut considérablement affecter notre compréhension de la structure interne et de l'évolution des planètes géantes glacées, ainsi que tous leurs nombreux cousins extrasolaires."
