Новые ограничения на температуру плавления и фазовую стабильность ударно-охлажденного железа до 270 ГПа
Учёные из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Политехнического института Парижа и других институтов по всему миру провели исследование температуры плавления и фазовой стабильности ударно-сжатого железа при высоких температурах и давлениях с использованием сверхбыстрой рентгеновской абсорбционной спектроскопии. Их выводы, опубликованные в Physical Review Letters, проливают новый свет на кривую плавления и структурную фазу железа в экстремальных условиях.
Фото. Ударное событие в железе, вызванное лазером, на установке высокоэнергетического лазера (HPLF), где рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) использовалась для определения температуры плавления и микроскопической структуры железа при давлениях, имеющих отношение к наукам о Земле. Автор: Жан-Алексис Эрнандес, European Synchrotron Radiation Facility.
Целью работы было изучение микроскопического поведения железа в условиях экстремального давления и температуры, вплоть до диапазонов в несколько мегабар и тысяч градусов Кельвина, с использованием сверхбыстрой синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии. Поскольку железо является основным компонентом ядра Земли, его свойства (например, температура плавления при давлениях, наблюдаемых вблизи границы внутреннего ядра Земли) устанавливают верхний предел температуры плавления на этой конкретной границе, которая разделяет внутреннее и внешнее ядро.
Эксперимент проводился на Европейской установке лазеров высокой мощности синхротронного излучения (Франция). Были использованы мощные лазеры с энергией свыше 40 Дж с энергодисперсионным пучком ID24-ED, оптимизированным для сверхбыстрой (≈100 пс) рентгеновской абсорбционной спектроскопии.
Мощный лазер фокусируется на многослойной мишени, разрушая первый слой (обычно полимер) и создаёт горячую плазму, которая расширяется и генерирует ударную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью через образец железа. Ударная волна создает экстремальные условия давления и температуры в железе. Одновременно рентгеновские лучи синхронизируются для захвата спектра железа в момент выхода ударной волны из образца, что соответствует пиковому давлению и температуре в железе.
Помимо измерения объемной температуры железа вблизи его кривой плавления при 240 ГПа, учёные смогли определить структурные изменения, которые претерпевает этот элемент в условиях, что наблюдаются в ядре Земли. При ударном сжатии тепловое собственное излучение нагретого образца обычно улавливается и подгоняется под модель черного тела Планка для оценки температуры. Однако этот метод имеет ограничения, особенно для непрозрачных образцов, таких как металлы, где можно измерить только температуру поверхности.
Было определено, что фаза чистого железа при 240 ГПа и 5345 К, непосредственно перед плавлением, представляет собой гексагональную плотноупакованную (ГПУ), а не объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру, предсказанную многими теоретическими исследованиями.
