Étudier le comportement de la matière solide à des pressions énormes, telles que celles que l'on trouve dans les profondeurs intérieures des planètes géantes, est un grand défi expérimental. Pour aider à relever ce défi, les chercheurs et collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont plongé profondément dans la compréhension de ces pressions extrêmes.

Le travail vient d'être publié dans Nature Physics avec le scientifique LLNL Martin Gorman comme auteur principal.

"Nos résultats représentent une avancée expérimentale significative ; nous avons pu étudier le comportement structurel du magnésium (Mg) à des pressions extrêmes - plus de trois fois plus élevées qu'au cœur de la Terre - qui n'étaient auparavant accessibles que théoriquement ", a déclaré Gorman. "Nos observations confirment les prédictions théoriques pour le Mg et démontrent comment les pressions de TPa (10 millions de fois la pression atmosphérique) forcent les matériaux à adopter des comportements chimiques et structurels fondamentalement nouveaux."

Gorman a déclaré que les méthodes de calcul modernes ont suggéré que les électrons du noyau liés aux atomes voisins commencent à interagir à des pressions extrêmes, provoquant la rupture des règles conventionnelles de liaison chimique et de formation de la structure cristalline.

"La prédiction théorique la plus frappante est peut-être la formation d'"électrodes" à haute pression dans les métaux élémentaires, où les électrons libres de la bande de valence sont comprimés dans des états localisés dans les espaces vides entre les ions pour former des configurations pseudo-ioniques", a-t-il déclaré. "Mais atteindre les pressions requises, souvent supérieures à 1 TPa, est très difficile expérimentalement."

Gorman a expliqué le travail en décrivant la meilleure façon d'arranger les balles dans un tonneau. La sagesse conventionnelle suggère que les atomes sous pression, comme des balles dans un baril, devraient préférer s'empiler aussi efficacement que possible.

"Pour contenir le nombre maximum de balles dans un baril, elles doivent être empilées aussi efficacement que possible, comme un modèle de compactage hexagonal ou cubique", a déclaré Gorman. "Mais même les emballages les plus proches ne sont efficaces qu'à 74 % et 26 % sont encore de l'espace vide, donc en incluant des balles plus petites de taille correcte, un emballage plus efficace des balles peut être réalisé.

"Ce que nos découvertes suggèrent, c'est que sous une pression immense, les électrons de valence, qui sont normalement libres de se déplacer dans le métal Mg, se localisent dans les espaces vides entre les atomes et forment ainsi un ion presque sans masse et chargé négativement", a-t-il déclaré. "Maintenant, il existe des boules de deux tailles différentes - des ions Mg chargés positivement et des électrons de valence localisés chargés négativement - ce qui signifie que Mg peut se tasser plus efficacement et que de telles structures "d'électrodes" deviennent donc énergétiquement favorables par rapport à un tassement serré."

Le travail décrit dans l'article a nécessité six jours de tir au National Ignition Facility (NIF) entre 2017 et 2019. Les membres d'une collaboration internationale se sont rendus au LLNL pour observer le cycle de tir et aider à analyser les données dans les jours suivant chaque expérience.

Les expériences laser de pointe à haute puissance sur le NIF, associées à des techniques de diffraction des rayons X nanosecondes, fournissent la première preuve expérimentale - dans n'importe quel matériau - de la formation de structures d'électride au-dessus de 1 TPa.

"Nous avons compressé en rampe le Mg élémentaire, en maintenant l'état solide jusqu'à des pressions maximales de 1,32 TPa (plus de trois fois la pression au centre de la Terre), et avons observé que le Mg se transformait en quatre nouvelles structures cristallines", a déclaré Gorman. "Les structures formées sont ouvertes et ont un compactage atomique inefficace, ce qui contredit notre compréhension traditionnelle selon laquelle les atomes sphériques dans les cristaux devraient se compacter plus efficacement avec une compression croissante."

Cependant, c'est précisément cette inefficacité du garnissage atomique qui stabilise ces structures ouvertes à des pressions extrêmes, puisque l'espace vide est nécessaire pour mieux accueillir les électrons de valence localisés. L'observation directe de structures ouvertes dans Mg est la première preuve expérimentale de la façon dont les interactions électroniques de valence-noyau et noyau-noyau peuvent influencer les structures matérielles à des pressions TPa. La transformation observée entre 0,96 et 1,32 TPa est la transition de phase structurelle à la pression la plus élevée jamais observée dans n'importe quel matériau, et la première à des pressions TPa, selon les chercheurs.

Gorman a déclaré que ces types d'expériences ne peuvent actuellement être menées qu'au NIF et ouvrent la porte à de nouveaux domaines de recherche. + Explorer plus loin

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