无冲击压缩实验建立极端压力的新标尺

投稿时间:2021-06-08  消息来源:  提交者:洪门小拳

为了测试粒子物理学的标准模型,科学家们经常使用巨大的加速器地下环来碰撞粒子。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物质的量子理论,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急剧变形,并改变原子的排列组合方式。
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这带来了新的化学结合,并揭示了非同寻常的行为,如氦气雨、钠转化为透明金属、超离子水冰的出现,以及氢转化为金属流体。
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随着新技术不断推进高压物理学的前沿,曾经无法达到的太帕斯(TPa)压力现在可以通过静态或动态压缩在实验室中实现(1TPa相当于大约1000万个大气压)。

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然而,准确和精确地确定压力为极端条件下的实验增加了另一个层次的复杂性。许多这些技术都依赖于一个校准的压力标准。到目前为止,大多数实验都依赖于对低压校准测量的推断或理论模型来确定这种极端条件下的压力。
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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能量最大的激光器 - 位于加利福尼亚州利弗莫尔的LLNL国家点火设施(NIF)和世界上最强大的脉冲功率设施 - 位于新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚Z机器上进行实验,改变了这种情况。
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使用一种被称为无冲击或斜坡压缩的新方法,该团队以极高的精度确定了金和铂在被挤压到1TPa时有什么样的表现。然后,他们利用他们的数据得出了新的压力标度,即1TPa。这项研究于本月4日发表在《科学》杂志上。
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"NIF和Z机器是独特的设施,我们真正推动了他们的能力,以进行尽可能精确的测量,"LLNL物理学家和该出版物的主要作者Dayne Fratanduono说。"为了进行无冲击压缩,我们使用几束激光或脉冲功率源来逐渐挤压我们的样品。但关键是要非常小心地控制增加样品压力的速度,以避免形成会破坏实验的冲击波。而且必须牢记,整个实验持续的时间远小于百万分之一秒。"
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"诀窍在于,大多数材料在被压缩时都会变得更硬,所以我们要做的就是找到一台机器,它不仅能提供足够的动力,还能提供足够的控制来实现实验,"LLNL物理学家兼共同作者Marius Millot补充道。
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据Fratanduono说,还有其他几个方面是实现实验高度精确性的关键:在目标上加工微米大小的台阶时达到令人难以置信的精确程度;对这些台阶的测量;以及允许研究小组确定样品如何被压缩的超高速测速测量能力。
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"这确实是几十年来技术发展的结晶,"Fratanduono说。"经过几年的发展,实验达到了这种成熟度,结合NIF和Z这两个最好的高能量密度设施的各自优势,也是真正严格约束金和铂的材料反应的关键。"
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该团队预计,这些新的压力标尺将使全球的科学家同行能够通过简单地测量一块与他们感兴趣的样品一起压缩的金或铂的密度,轻松而精确地确定他们实验中的压力。
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Fratanduono说:"这是一个巨大的进步,因为有了更好的实验中的压力测定,我们将能够真正测试理论预测和用世界上最强大的计算机进行的量子模拟的基准。这将为未来使用静态和动态压缩的发现提供一个坚实的基础,因为我们将继续测试我们对凝聚态物质的量子理论的理解,这是一个在凝聚态物理学、材料科学和量子化学结合处的活跃研究领域。由于我们的工作将使我们能够更精确地测量行星成分在相关TPa压力下的特性,我们也期望吸引地球物理学家、行星科学家和天文学家的兴趣。"
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