Tecnologia Científica

Esmagando ouro com sutileza: experimentos de compressão sem choque estabelecem novas escalas de pressão
Usando uma nova abordagem, chamada de compressão sem choque ou compressão em rampa, a equipe determinou como o ouro e a platina se comprimem quando são comprimidos a 1 TPa com precisão extremamente alta.
Por Breanna Bishop - 06/06/2021


Usando o laser mais energético do mundo e a instalação de energia pulsada mais poderosa do mundo, uma equipe de pesquisa internacional derivou novas escalas de pressão para ouro e platina em 1 terapascal. Crédito: Laboratório Nacional Lawrence Livermore

Para testar o modelo padrão da física de partículas, os cientistas frequentemente colidem partículas usando anéis subterrâneos gigantescos. De maneira semelhante, os físicos de alta pressão comprimem os materiais a pressões cada vez maiores para testar ainda mais a teoria quântica da matéria condensada e desafiar as previsões feitas usando os computadores mais poderosos.

Pressões que excedem 1 milhão de atmosferas são capazes de deformar dramaticamente nuvens eletrônicas atômicas e alterar como os átomos são agrupados. Isso leva a novas ligações químicas e revelou comportamentos extraordinários como a chuva de hélio, a transformação do sódio em um metal transparente, o surgimento de gelo superiônico e a transformação do hidrogênio em um fluido metálico.

Com novas técnicas avançando constantemente na fronteira da física de alta pressão , pressões terapascal (TPa) que antes eram inacessíveis podem agora ser alcançadas em laboratório usando compressão estática ou dinâmica (1 TPa é equivalente a aproximadamente 10 milhões de atmosferas).

No entanto, a determinação precisa e precisa da pressão adiciona outro nível de complexidade aos experimentos sob condições extremas. Muitas dessas técnicas dependem de um padrão de pressão calibrado. Até agora, a maioria dos experimentos dependia de extrapolações de medições de calibração de baixa pressão ou modelos teóricos para determinar a pressão em tais condições extremas.

Cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories e da University of Hyogo mudaram isso realizando experimentos no laser mais energético do mundo - a National Ignition Facility (NIF) do LLNL em Livermore, Califórnia - e o mais poderoso pulsado do mundo usina de energia - Z Machine de Sandia em Albuquerque, Novo México.

Usando uma nova abordagem, chamada de compressão sem choque ou compressão em rampa, a equipe determinou como o ouro e a platina se comprimem quando são comprimidos a 1 TPa com precisão extremamente alta. Em seguida, eles usaram seus dados para derivar novas escalas de pressão para 1 TPa. A pesquisa foi publicada hoje na Science e apresentada em uma seção especial "Perspectivas".

"O NIF e a máquina Z são instalações únicas. Nós realmente aumentamos sua capacidade de realizar a medição mais precisa possível", disse Dayne Fratanduono, físico do LLNL e principal autor da publicação. "Para fazer compressão sem choque, usamos vários feixes de laser ou a fonte de energia pulsada para espremer gradualmente nossa amostra. Mas a chave é controlar com muito cuidado a taxa na qual aumentamos a pressão na amostra, para evitar a formação de uma onda de choque isso arruinaria o experimento. E você deve ter em mente que todo o experimento dura muito menos do que um milionésimo de segundo. "
 
"O truque é que a maioria dos materiais se torna mais rígida à medida que são comprimidos, então tudo o que temos que fazer é adivinhar quanto e, em seguida, encontrar uma máquina que fornecerá não apenas energia suficiente, mas também controle suficiente para realizar o experimento", acrescentou Marius Millot, físico e coautor do LLNL.

De acordo com Fratanduono, várias outras áreas foram fundamentais para atingir o alto nível de precisão dos experimentos: um nível incrível de precisão na usinagem de passos de tamanho mícron nos alvos; a medição dessas etapas; e medições de velocimetria ultrarrápidas que permitiram à equipe de pesquisa determinar como a amostra é comprimida.

"Este é realmente o culminar de várias décadas de desenvolvimento tecnológico", disse Fratanduono. "Demorou vários anos de desenvolvimento para atingir esse nível de maturidade nos experimentos e combinar as vantagens individuais de NIF e Z, as duas melhores instalações de alta densidade de energia, também foi a chave para restringir realmente fortemente a resposta material de ouro e platina . "

A equipe prevê que essas novas escalas de pressão permitirão que colegas cientistas ao redor do mundo determinem facilmente, mas com precisão, a pressão em seus experimentos, simplesmente medindo a densidade de um pedaço de ouro ou platina comprimido junto com sua amostra de interesse.

"Este é um grande passo à frente porque com uma determinação de pressão muito melhor nos experimentos, seremos capazes de realmente testar previsões teóricas e benchmarks de simulações quânticas feitas com os computadores mais poderosos do mundo", disse Fratanduono. "Isso fornecerá uma base sólida para futuras descobertas usando compressão estática e dinâmica, à medida que continuamos a testar nossa compreensão da teoria quântica da matéria condensada, uma área de pesquisa ativa na conjunção da física da matéria condensada, ciência dos materiais e química quântica. Como nosso trabalho permitirá medições mais precisas das propriedades dos constituintes planetários nas pressões TPa relevantes, também esperamos atrair o interesse de geofísicos, cientistas planetários e astrônomos. "

 

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