Оптическая фотография, сделанная во время эксперимента по сжатию с помощью лазера и наносекундной дифракции рентгеновских лучей на лазерной установке Omega. На вставке показана конкретная конфигурация мишени, используемая в этом исследовании, когда несколько образцов одновременно сжимались по квазиизоэнтропическому пути. Графический кредит: Kowaluk/LLE и Coppari/LLNL

Измерения дифракции рентгеновских лучей при динамическом сжатии с помощью лазера позволяют исследователям исследовать атомную структуру вещества при давлении в сотни тысяч атмосфер и температуре в тысячи градусов, что имеет широкое применение в физике конденсированного состояния, планетологии и астрономии.

Определение давления в этих экспериментах часто основывается на измерениях скорости в сочетании с моделированием, которое требует точного знания оптических и термомеханических свойств материала окна, что приводит к значительной систематической неопределенности.

В новом исследовании, опубликованном в Physical Review B, ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) сообщают о серии экспериментов по дифракции рентгеновских лучей на пяти металлах, динамически сжатых до 600 ГПа (давление 6 000 000 атмосфер). В дополнение к сбору информации об атомной структуре для нескольких сжатых образцов группа продемонстрировала другой подход к определению давления, применимый к экспериментам по дифракции рентгеновских лучей при квазиизоэнтропическом линейном сжатии.

«В конечном итоге это улучшит наше понимание свойств материалов в экстремальных условиях давления и температуры, что является стратегической областью исследований в лаборатории», — сказала физик LLNL Федерика Коппари, ведущий автор исследования.

В последние годы наблюдается повсеместный всплеск использования динамического сжатия для создания экстремальных условий давления и температуры в лаборатории. В сочетании с измерениями дифракции рентгеновских лучей эти эксперименты позволили сделать беспрецедентные открытия с далеко идущими последствиями для планетологии и физики конденсированного состояния. Примеры включают давно предсказанный фазовый переход из твердого состояния в твердое в оксиде магния и оксиде железа, существование экзотической суперионной фазы теплого плотного водяного льда и исключительную стабильность алмаза FC8 при давлении до 2 ТПа. В материаловедении эти эксперименты использовались для документирования плавления тантала в экстремальных условиях и для описания фазовых переходов высокого давления/высокой температуры в золоте.

В новой работе ученые и сотрудники LLNL протестировали использование калибрантов на месте в качестве нового подхода к определению давления в экспериментах по дифракции рентгеновских лучей при динамическом сжатии. Подобно подходу, используемому в измерениях рентгеновской дифракции при высоком давлении с ячейками с алмазными наковальнями, этот метод основан на использовании материалов, уравнение состояния которых хорошо известно как манометры.

«Собирая их дифракционные картины в дополнение к картине исследуемого образца, можно определить плотность и сделать вывод о давлении, приложенном к образцу, используя ранее определенное соотношение давления и плотности», — сказал Коппари.

Несколько материалов (комбинация платины, тантала, золота, вольфрама и железа) были одновременно сжаты по квазиизоэнтропическому пути до давления в несколько сотен ГПа (несколько миллионов атмосфер) на лазерной установке Омега в Университете Рочестера. Сбор рентгеновских дифракционных картин от калибранта и одновременных измерений скорости позволил группе не только перекрестно проверить два метода определения давления, но и установить использование калибрантов на месте в качестве жизнеспособной альтернативы интерферометру скорости. Система для измерений любого отражателя (VISAR) в экспериментах по динамическому линейному сжатию.

В дополнение к предоставлению новой возможности, которая повышает точность определения давления в четыре раза, эта работа проверяет метод, что широко использовался в прошлых экспериментах по динамическому сжатию, что будет способствовать сокращению разрыва между динамическими и статическими экспериментами по сжатию.

Среди других авторов LLNL — Дейн Фратандуоно, Мариус Миллот, Ричард Краус, Эми Лазицки, Рэй Смит и Джон Эггерт, а также исследователи из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. Этот проект также выиграл от вклада Эрика Фолсома, Рене Посадас и Рассела Уоллеса, которые помогали в сборке мишеней и метрологии.