Les propriétés des matériaux dans des conditions extrêmes sont d'un intérêt majeur dans de nombreux domaines, dont la géophysique planétaire, science des matériaux et fusion par confinement inertiel (ICF). En géophysique, l'équation d'état des matériaux planétaires tels que l'hydrogène et le fer sous ultra haute pression et densité permettra de mieux comprendre leur formation et leur structure intérieure.

Dans un tutoriel lors d'une réunion virtuelle de l'American Physical Society Division of Plasma Physics en novembre, Le physicien Hye-Sook Park du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a discuté des diverses techniques expérimentales et des principales découvertes des états des matériaux dans des conditions de densité d'énergie extrêmement élevée (HED) sur la base de travaux menés au LLNL et dans d'autres installations à travers le monde. La condition HED pour les études de matériaux est définie comme étant la condition de haute pression supérieure à 100 gigapascals (GPa) ou 1 million de fois supérieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Le travail présenté par Park est maintenant présenté dans un article en Physique des plasmas .

"Cet article donne un aperçu de l'étude des matériaux haute pression à haute densité d'énergie décrivant leurs diagnostics clés et les découvertes clés, " Park a déclaré. "Ce document est écrit pour ceux qui veulent apprendre les études matérielles dans le régime HED à un niveau élevé."

Park a déclaré que la recherche présentée dans le document est importante pour de nombreux domaines de la géophysique, programmes de science des matériaux et de gestion des stocks. La recherche se poursuivra également sur toutes les installations HED dans le monde, y compris des installations de nouvelle génération telles que des systèmes pétawatt à taux de répétition élevé et de nouveaux diagnostics tels que des systèmes d'imagerie à rayons X à résolution temporelle qui feront progresser davantage la connaissance des matériaux dans des conditions extrêmes.

L'article passe en revue les résultats de cinq domaines, y compris l'équation d'état du fer, le matériau du noyau terrestre ; la transition de l'isolant hydrogène au métal qui est importante pour les propriétés du champ magnétique dans les planètes joviennes ; changements de phase dans le silicium et le diamant à très haute pression; eau à l'état superionique sous haute pression; et la résistance du plomb sous haute pression.

Comprendre les conditions extrêmes

Park a expliqué que la pression du noyau interne de la Terre est de 350 gigapascals (GPa), soit 3,5 millions de fois supérieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Dans des conditions aussi extrêmes, matériaux planétaires, comme l'hydrogène et le silicium et des matériaux courants comme le plomb, peuvent changer leur densité, Température, structures et résistance du réseau atomique. Par exemple, l'étude des équations d'état de différents matériaux planétaires sous ultra haute pression et densité permet de mieux comprendre la formation et la structure intérieure de la Terre. Des scientifiques en physique HED étudient comment les états de la matière changent sous des pressions extrêmes :environ 100 GPa à 10, 000 GPa, ou 1 million à 100 millions de fois la pression atmosphérique de la Terre.

Les chercheurs peuvent créer des pressions ultra-élevées dans les installations HED telles que la National Ignition Facility (NIF) de LLNL, Source de lumière cohérente Linac (LCLS) au Laboratoire national des accélérateurs SLAC, Omega à l'université de Rochester et la machine Z aux laboratoires nationaux de Sandia pour mener des études de matériaux dans des conditions extrêmes.

« Nous pouvons créer des ultra hautes pressions dans ces installations pour mener des études de matériaux dans des conditions extrêmes à l'aide d'un entraînement d'ablation laser ou d'un entraînement magnétique, " dit Park.

Les mesures nécessitaient de combiner les principes de la physique des plasmas avec la technologie de diagnostic avancée. Les principes de la physique des plasmas consistent à créer des entraînements à haute pression pour créer une compression par choc ou par rampe.

Un exemple de diagnostic comprend le système d'interféromètre de vitesse pour tout réflecteur (VISAR) qui mesure la vitesse du son sur différentes épaisseurs d'échantillon pour mesurer l'équation d'état, relation pression-densité. D'autres exemples incluent la diffraction dynamique utilisant des sources de rayons X quasi-monoénergétiques provenant soit de la source lumineuse, soit des rayons X entraînés par laser; un spectromètre à rayons X ultra-haute résolution pour comprendre les oscillations atomiques pour mesurer la température de l'échantillon; et la radiographie aux rayons X à haute énergie pour effectuer une radiographie de face sur la croissance des perturbations de surface afin de comprendre la résistance du matériau.

Plusieurs expériences NIF et LCLS, Omega et Z sont décrits dans l'article. Le puissant système laser de NIF, couplé avec des diagnostics exquis, permet aux scientifiques d'atteindre des pressions sans précédent en laboratoire et de produire des résultats inattendus/surprenants contraignant des théories et des modèles qui n'étaient pas possibles sans résultats expérimentaux.