Le fer est l'élément chimique le plus stable et le plus lourd produit par nucléosynthèse dans les étoiles, ce qui en fait l'élément lourd le plus abondant dans l'univers et à l'intérieur de la Terre et d'autres planètes rocheuses.

Pour mieux comprendre le comportement à haute pression du fer, un physicien du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et des collaborateurs internationaux ont découvert les transitions de phase subnanosecondes dans le fer soumis à un choc laser. La recherche apparaît dans l'édition du 5 juin de la revue Avancées scientifiques .

La recherche pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la physique, la chimie et les propriétés magnétiques de la Terre et d'autres planètes en mesurant les diffractions des rayons X haute résolution résolues dans le temps pendant toute la durée de la compression du choc. Cela permet l'observation du moment du début de la compression élastique à 250 picosecondes et l'observation inférée de structures à trois ondes entre 300-600 picosecondes. La diffraction des rayons X révèle que la fameuse transformation de phase du fer ambiant (Fe) en Fe à haute pression se produit en 50 picosecondes.

Aux conditions ambiantes, le fer métallique est stable sous forme cubique centrée sur le corps, mais à mesure que les pressions s'élèvent au-dessus de 13 gigapascals (130, 000 fois la pression atmosphérique sur Terre), le fer se transforme en une structure compacte hexagonale non magnétique. Cette transformation est sans diffusion, et les scientifiques peuvent voir la coexistence des phases ambiante et à haute pression.

Il y a encore des débats sur les emplacements des limites de phase du fer ainsi que la cinétique de cette transition de phase.

L'équipe a utilisé une combinaison d'une pompe laser optique et d'une sonde à électrons libres à rayons X (XFEL) pour observer l'évolution de la structure atomique du fer comprimé à une résolution temporelle sans précédent, environ 50 picosecondes sous haute pression. La technique a montré tous les types de structure connus du fer.

Les membres de l'équipe ont même découvert l'apparition de nouvelles phases après 650 picosecondes avec des densités similaires voire inférieures à celle de la phase ambiante.

"Il s'agit de la première observation directe et complète de la propagation des ondes de choc associée aux changements structurels cristallins enregistrés par des données de séries chronologiques de haute qualité, " a déclaré Hyunchae Cynn, physicien du LLNL, un co-auteur de l'article.

L'équipe a observé une évolution temporelle à trois ondes par l'élastique, plastique et la transition de phase de déformation à la phase haute pression, suivies de phases de post-compression dues aux ondes de raréfaction à des intervalles de 50 picosecondes entre 0 et 2,5 nanosecondes après irradiation avec le laser optique.

D'autres expériences pourraient permettre de mieux comprendre comment les planètes rocheuses se sont formées ou si elles ont un océan de magma à l'intérieur.