Un nouveau dispositif à haute pression ultra-rapide à la source lumineuse à rayons X PETRA III de DESY permet aux scientifiques de simuler et d'étudier les tremblements de terre et les impacts de météorites de manière plus réaliste en laboratoire. La cellule à enclume diamant dynamique de nouvelle génération (dDAC), développé par des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), DESY, la source européenne de rayonnement synchrotron ESRF, et les universités d'Oxford, Bayreuth et Francfort-sur-le-Main, compresse les échantillons plus rapidement que tout autre appareil similaire auparavant. L'instrument peut augmenter la pression à un taux record de 1,6 milliard d'atmosphères par seconde (160 téapascals par seconde, TPa/s) et peut être utilisé pour une large gamme d'études dynamiques à haute pression. Les développeurs présentent leur nouvel appareil, qui a déjà prouvé ses capacités dans diverses expériences de matériaux, dans la revue Examen des instruments scientifiques .

"Pendant plus d'un demi-siècle, la cellule à enclume de diamant ou DAC a été le principal outil pour créer des pressions statiques élevées pour étudier la physique et la chimie des matériaux dans ces conditions extrêmes, par exemple pour explorer les propriétés physiques des matériaux au centre de la Terre à 3,5 millions d'atmosphères, " a déclaré l'auteur principal Zsolt Jenei de LLNL. Pour simuler des processus dynamiques rapides comme les tremblements de terre et les impacts d'astéroïdes de manière plus réaliste avec des taux de compression élevés en laboratoire, L'équipe de Jenei, en collaboration avec les scientifiques de DESY, a maintenant développé une nouvelle génération de cellule à enclume de diamant à entraînement dynamique (dDAC), inspiré par la conception originale pionnière de LLNL, et l'a couplé avec la nouvelle configuration de diffraction rapide des rayons X de la ligne de faisceau pour conditions extrêmes P02.2 à PETRA III.

La nouvelle cellule d'enclume de diamant dynamique se compose de deux petits diamants brillants modifiés qui sont poussés ensemble par un puissant entraînement piézo-électrique. Grâce à des améliorations comme les actionneurs piézo beaucoup plus puissants et rapides, Amplificateurs à courant de crête élevé, le nouvel appareil est capable de compresser les minuscules échantillons entre les enclumes de diamant plus de mille fois plus rapidement que les instruments précédents.

Afin d'étudier l'évolution des propriétés physiques des matériaux sous haute pression, les scientifiques projettent des rayons X sur les petits échantillons et enregistrent la manière dont les rayons X sont diffractés par le matériau. Ces diagrammes de diffraction permettent de calculer la structure interne du matériau. Cependant, pour prendre des instantanés de processus dynamiques à grande vitesse, le flash à rayons X doit être suffisamment lumineux et l'appareil photo, le détecteur, doit être assez rapide.

« Depuis près de dix ans, depuis la première invention du dDAC dans notre Laboratoire, il a été extrêmement difficile de mener des expériences de diffraction rapide en raison du manque de flux de photons et, plus important encore, de détecteurs de diffraction des rayons X à haute énergie rapides et très sensibles, " a expliqué Jenei. Ce n'est qu'avec l'avènement des sources de rayons X extrêmement lumineuses de troisième génération telles que PETRA III et le développement de caméras très sensibles telles que le détecteur Lambda à l'arséniure de gallium (GaAs) inventé par le groupe de détecteurs DESY que cela est devenu possible pour collecter des images de diffraction avec des temps d'exposition courts et une résolution temporelle adéquats.

La ligne de faisceau pour conditions extrêmes (ECB) de DESY possède les deux premiers détecteurs GaAs Lambda au monde. "En les déclenchant avec un retard de 0,25 milliseconde, nous sommes capables de collecter jusqu'à 4000 images par seconde, " a déclaré Hanns-Peter Liermann, le scientifique de la ligne de lumière en charge de la BCE. Les détecteurs ont été financés dans le cadre d'un projet de recherche conjoint attribué par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche BMBF à l'Université Goethe de Francfort, où Björn Winkler est le chercheur principal.

Les chercheurs travaillant sur le projet ont démontré les performances et la polyvalence de la configuration expérimentale avec des études de compression rapide de métaux lourds tels que l'or et le bismuth ainsi que des composés légers tels que la glace (H2O), et des matériaux planétaires tels que la ferropériclase ((Mg0.8Fe0.2)O). En menant des expériences de diffraction rapide sur l'or, l'équipe a démontré une augmentation de la pression de 1000 atmosphères à 1, 400, 000 atmosphères en seulement 2,5 millisecondes (millième de seconde), résultant en un taux de compression maximal de 160 TPa/s. Pendant ce temps extrêmement court, les détecteurs ont collecté huit diagrammes de diffraction sur tout le chemin de compression.

"Nous pensons qu'avec la configuration existante, nous pouvons améliorer les taux de compression à peut-être des milliers de téapascals par seconde, " dit Liermann. Cependant, cela nécessitera des flashs à rayons X encore plus lumineux et des caméras encore plus rapides telles que celles fournies par les deux, la mise à niveau prévue de PETRA III vers une source de rayons X de nouvelle génération PETRA IV et la station expérimentale à haute densité d'énergie (HED) du laser à rayons X européen European XFEL, où DESY participe à la construction d'une configuration dDAC dans le cadre du consortium Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF).