为了测试粒子物理的标准模型,科学家们经常使用巨大的地下环来碰撞粒子。以类似的方式,高压物理学家将材料压缩到更大的压力,以进一步测试凝聚态的量子理论,并挑战使用最强大的计算机做出的预测。
超过100万个大气压的压力能够使原子电子云发生巨大的变形,并改变原子聚集在一起的方式。这导致了新的化学键,并揭示了不同寻常的行为,如氦雨,钠转变为透明金属,超离子水冰的出现,以及氢转变为金属流体。
随着新技术不断推进高压物理学的前沿,曾经难以达到的兆帕(TPa)压力现在可以在实验室中通过静态或动态压缩(1 TPa相当于大约1000万个大气压)实现。
然而,精确地确定压力又增加了极端条件下实验的复杂性。许多这些技术依赖于校准的压力标准。到目前为止,大多数实验依赖于低压校准测量的外推或理论模型来确定这种极端条件下的压力。
来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)、桑迪亚国家实验室和兵库大学的科学家们通过在世界上最高能的激光器——位于加州利弗莫尔的LLNL国家点火装置(NIF)——和世界上最强大的脉冲电源装置——进行实验,改变了这一现状新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚Z机器。
使用一种被称为无冲击或斜坡压缩的新方法,该团队确定了当金和铂被极其精确地压缩到1 TPa时,它们是如何压缩的。然后,他们利用他们的数据推导出新的1tpa压力刻度。这项研究于2021年6月4日发表在《科学》杂志的“展望”专题上。
“NIF和Z机是独特的设备。我们真的推动了他们进行尽可能精确测量的能力,”LLNL物理学家、该论文的主要作者Dayne Fratanduono说。“为了实现无冲击压缩,我们使用几束激光束或脉冲电源逐步挤压我们的样品。但关键是要非常小心地控制我们增加样品压力的速率,以避免形成会破坏实验的冲击波。你必须记住,整个实验持续的时间远远少于百万分之一秒。”
“诀窍是,大多数材料成为硬压缩,所以我们要做的是想多少,然后找到一个机器,将不仅提供足够的力量也足够控制实现实验,”马吕斯Millot, LLNL物理学家,和合作者。
根据Fratanduono的说法,在实现实验的高精确度方面还有其他几个关键领域:在目标上加工微米级台阶的难以置信的精确度;测量这些步骤;超高速速度测量可以让研究小组确定样品是如何被压缩的。
Fratanduono说:“这确实是几十年技术发展的巅峰。”“我们花了好几年的时间才在实验中达到这个成熟的水平,结合了NIF和Z这两个最好的高能量密度设施的各自优势,也是真正严格限制金和铂材料响应的关键。”
该团队预计,通过简单地测量一块金或铂与感兴趣的样品被压缩在一起的密度,这些新的压力标尺将使全球的同行们能够轻松而准确地测定实验中的压力。
Fratanduono说:“这是一个巨大的进步,因为在实验中有更好的压力测定,我们将能够真正测试理论预测和基准量子模拟与世界上最强大的计算机。”“这将为未来使用静态和动态压缩的发现提供坚实的基础,因为我们继续测试我们对凝聚态物质量子理论的理解,一个活跃的研究领域在凝聚态物理,材料科学和量子化学的结合。因为我们的工作将使在相关TPa压力下更精确地测量行星成分的特性,我们也希望吸引地球物理学家、行星科学家和天文学家的兴趣。”