L'or est un matériau extrêmement important pour les expériences à haute pression et est considéré comme le « gold standard » pour le calcul de la pression dans les expériences statiques de cellules à enclume de diamant. Lorsqu'il est comprimé lentement à température ambiante (de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes), l'or préfère être la structure cubique à faces centrées (fcc) à des pressions jusqu'à trois fois supérieures au centre de la Terre.

Cependant, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de la Carnegie Institution de Washington ont découvert que lorsque l'or est comprimé rapidement en nanosecondes (1 milliardième de seconde), l'augmentation de la pression et de la température change la structure cristalline en une nouvelle phase d'or. Cette structure cubique centrée sur le corps (bcc) bien connue se transforme en une structure cristalline plus ouverte que la structure fcc. Ces résultats ont été publiés récemment dans Lettres d'examen physique .

"Nous avons découvert une nouvelle structure dans l'or qui existe à des états extrêmes - les deux tiers de la pression trouvée au centre de la Terre, " a déclaré l'auteur principal Richard Briggs, chercheur postdoctoral au LLNL. "La nouvelle structure a en fait un garnissage moins efficace à des pressions plus élevées que la structure de départ, ce qui était surprenant compte tenu de la grande quantité de prédictions théoriques qui indiquaient des structures plus serrées qui devraient exister. »

Les expériences ont été réalisées dans le secteur de compression dynamique (DCS) de la source de photons avancée, Laboratoire National d'Argonne. DCS est la première installation de rayons X synchrotron dédiée à la science de la compression dynamique. Ces expériences d'utilisateurs ont été parmi les premières menées sur hutch-C, la station laser haute énergie dédiée de DCS. L'or était le sujet d'étude idéal en raison de son Z élevé (fournissant un fort signal de diffusion des rayons X) et de son diagramme de phase relativement inexploré à haute température.

L'équipe a découvert que la structure de l'or a commencé à changer à une pression de 220 GPa (2,2 millions de fois la pression atmosphérique de la Terre) et a commencé à fondre lorsqu'elle est comprimée au-delà de 250 GPa.

"L'observation de l'or liquide à 330 GPa est étonnante, " a déclaré Briggs. " C'est la pression au centre de la Terre et elle est plus de 300 GPa plus élevée que les mesures précédentes de l'or liquide à haute pression. "

La transition de la structure fcc à la structure bcc est peut-être l'une des transitions de phase les plus étudiées en raison de son importance dans la fabrication de l'acier, où des températures élevées ou des contraintes provoquent un changement de structure entre les deux structures fcc/bcc. Cependant, on ne sait pas quel mécanisme de transition de phase est responsable. Les résultats de l'équipe de recherche montrent que l'or subit la même transition de phase avant de fondre, en raison de la pression et de la température, et des expériences futures axées sur le mécanisme de la transition peuvent aider à clarifier les détails clés de cette transition importante pour la fabrication d'aciers solides.

"Beaucoup de modèles théoriques de l'or qui sont utilisés pour comprendre le comportement à haute pression/haute température n'ont pas prédit la formation d'une structure centrée sur le corps - seulement deux sur plus de 10 travaux publiés, " a déclaré Briggs. "Nos résultats peuvent aider les théoriciens à améliorer leurs modèles d'éléments soumis à une compression extrême et à envisager d'utiliser ces nouveaux modèles pour examiner les effets de la liaison chimique afin de faciliter le développement de nouveaux matériaux pouvant être formés à des états extrêmes. "