無衝擊壓縮實驗建立極端壓力的新標尺

為了測試粒子物理學的標準模型，科學家們經常使用巨大的加速器地下環來碰撞粒子。以類似的方式，高壓物理學家將材料壓縮到更大的壓力，以進一步測試凝聚態物質的量子理論，並挑戰使用最強大的計算機做出的預測。 超過100萬個大氣壓的壓力能夠使原子電子雲急劇變形，並改變原子的排列組合方式。

這帶來了新的化學結合，並揭示了非同尋常的行為，如氦氣雨、鈉轉化為透明金屬、超離子水冰的出現，以及氫轉化為金屬流體。

隨着新技術不斷推進高壓物理學的前沿，曾經無法達到的太帕斯（TPa）壓力現在可以通過靜態或動態壓縮在實驗室中實現（1TPa相當於大約1000萬個大氣壓）。

然而，準確和精確地確定壓力為極端條件下的實驗增加了另一個層次的複雜性。許多這些技術都依賴於一個校準的壓力標準。到目前為止，大多數實驗都依賴於對低壓校準測量的推斷或理論模型來確定這種極端條件下的壓力。

來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、桑迪亞國家實驗室和兵庫大學的科學家們通過在世界上能量最大的激光器 - 位於加利福尼亞州利弗莫爾的LLNL國家點火設施（NIF）和世界上最強大的脈衝功率設施 - 位於新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞Z機器上進行實驗，改變了這種情況。

使用一種被稱為無衝擊或斜坡壓縮的新方法，該團隊以極高的精度確定了金和鉑在被擠壓到1TPa時有什麼樣的表現。然後，他們利用他們的數據得出了新的壓力標度，即1TPa。這項研究於本月4日發表在《科學》雜誌上。

“NIF和Z機器是獨特的設施，我們真正推動了他們的能力，以進行儘可能精確的測量，“LLNL物理學家和該出版物的主要作者Dayne Fratanduono説。“為了進行無衝擊壓縮，我們使用幾束激光或脈衝功率源來逐漸擠壓我們的樣品。但關鍵是要非常小心地控制增加樣品壓力的速度，以避免形成會破壞實驗的衝擊波。而且必須牢記，整個實驗持續的時間遠小於百萬分之一秒。”

“訣竅在於，大多數材料在被壓縮時都會變得更硬，所以我們要做的就是找到一台機器，它不僅能提供足夠的動力，還能提供足夠的控制來實現實驗，“LLNL物理學家兼共同作者Marius Millot補充道。

據Fratanduono説，還有其他幾個方面是實現實驗高度精確性的關鍵：在目標上加工微米大小的台階時達到令人難以置信的精確程度；對這些台階的測量；以及允許研究小組確定樣品如何被壓縮的超高速測速測量能力。

“這確實是幾十年來技術發展的結晶，“Fratanduono説。“經過幾年的發展，實驗達到了這種成熟度，結合NIF和Z這兩個最好的高能量密度設施的各自優勢，也是真正嚴格約束金和鉑的材料反應的關鍵。”

該團隊預計，這些新的壓力標尺將使全球的科學家同行能夠通過簡單地測量一塊與他們感興趣的樣品一起壓縮的金或鉑的密度，輕鬆而精確地確定他們實驗中的壓力。

Fratanduono説：“這是一個巨大的進步，因為有了更好的實驗中的壓力測定，我們將能夠真正測試理論預測和用世界上最強大的計算機進行的量子模擬的基準。這將為未來使用靜態和動態壓縮的發現提供一個堅實的基礎，因為我們將繼續測試我們對凝聚態物質的量子理論的理解，這是一個在凝聚態物理學、材料科學和量子化學結合處的活躍研究領域。由於我們的工作將使我們能夠更精確地測量行星成分在相關TPa壓力下的特性，我們也期望吸引地球物理學家、行星科學家和天文學家的興趣。”