Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont récemment obtenu des données thermodynamiques de haute précision sur l'azote chaud et dense dans des conditions extrêmes qui pourraient conduire à une meilleure compréhension de l'intérieur des objets célestes comme les naines blanches et les exoplanètes.

L'équipe, qui comprend des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley et de l'Université de Rochester, a utilisé une technique avancée qui combine la pré-compression dans une cellule à enclume en diamant et la compression par choc laser à l'Omega Laser Facility de l'Université de Rochester. .

Molécules d'azote (N₂ ) représentent 78 % de l'air que nous respirons. Ils sont uniques parce que les deux atomes d'azote dans N₂ sont liés par une triple liaison covalente, qui est la plus forte de toutes les molécules diatomiques simples. L'azote est également un constituant important des corps célestes dans le système solaire externe et au-delà. Par exemple, l'ammoniac (NH₃ ) on pense que des tempêtes existent sur des planètes géantes comme Jupiter, tandis que la planète naine Pluton, la lune glacée de Saturne Titan et la lune glacée de Neptune Triton ont N₂ -atmosphères riches.

Des études antérieures avec cette technique puissante ont révélé des preuves expérimentales de la glace d'eau superionique et de la pluie d'hélium dans les planètes géantes gazeuses. Dans la nouvelle recherche, l'équipe a mené des expériences de choc sur un fluide d'azote moléculaire précomprimé jusqu'à 800 GPa (~ 8 millions d'atmosphères) de pression.

Ils ont observé des signatures claires pour l'achèvement de la dissociation moléculaire près de 70-100 GPa et 5-10 kK (milliers de kelvins) et le début de l'ionisation pour les électrons les plus externes au-dessus de 400 GPa et 50 kK.

"Il est très excitant que nous puissions utiliser des ondes de choc pour casser ces molécules et comprendre comment la pression et la densité induisent des changements dans la liaison chimique", a déclaré le physicien du LLNL Yong-Jae Kim, auteur principal d'un article paru dans Physical Review Letters . "Etudier comment casser des molécules d'azote et comment libérer des électrons est un excellent test pour les simulations informatiques et la modélisation théorique les plus avancées."

L'équipe a également émis l'hypothèse que l'étude de l'azote pourrait aider à percer certains des mystères concernant le comportement des molécules d'hydrogène au stade précoce des implosions de fusion par confinement inertiel au National Ignition Facility.

"Alors que l'azote et l'hydrogène sont tous deux des molécules diatomiques légères, les atomes d'hydrogène sont si petits qu'il est très complexe de reproduire leur comportement sous des pressions et des températures extrêmes avec des simulations informatiques", a déclaré Kim.

L'équipe a examiné de plus près la comparaison entre les données expérimentales de la nouvelle recherche et les courbes pression-densité simulées correspondantes à partir de différentes densités initiales. La comparaison a renforcé la confiance dans la capacité des simulations informatiques utilisant la technique de dynamique moléculaire de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) à capturer avec précision les changements subtils de la physique quantique dans les propriétés des matériaux dans ces conditions auparavant non documentées. En particulier, les nouvelles données ont résolu un écart déroutant entre les expériences précédentes sur l'azote dense chaud et les prévisions basées sur les résultats des simulations DFT.

"Nous avons montré que la théorie de la fonctionnelle de la densité fonctionne très bien pour décrire nos expériences. C'est un test très rigoureux et utile", a déclaré Kim.

La recherche fait partie d'un projet de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) visant à développer de nouvelles techniques expérimentales de compression dynamique pilotées par laser avec des cibles de cellule à enclume en diamant (DAC). Ces techniques pourraient démêler de nouveaux phénomènes physiques et chimiques dans des mélanges à faible numéro atomique, tels que ceux riches en eau, sur une large gamme de conditions de pression-température-densité sans précédent. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.

In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.

"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Explorer plus loin

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