Vorstellung einer neuartigen Probenkonfiguration für die Kalibrierung der Zustandsgleichung bei ultrahohem Druck

In einem Papier veröffentlicht vor kurzem im Zeitschrift für Angewandte PhysikEin internationales Team von Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), des Argonne National Laboratory und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons hat eine neue Probenkonfiguration entwickelt, die die Zuverlässigkeit von Zustandsgleichungsmessungen in einem Druckbereich verbessert, der in der Diamantstempelzelle bisher nicht erreicht werden konnte.

Mit dieser Konfiguration sind beispielsweise hochqualitative statische Zustandsgleichungsmessungen in über 5 Millionen Atmosphären bis hin zu den Bedingungen im Inneren des Neptuns möglich.

Die Entwicklung der toroidalen Diamantstempelzelle durch LLNL war revolutionär und hat die statische Druckgrenze in den Festkörperwissenschaften erweitert. Der nächste entscheidende Schritt war jedoch die Weiterentwicklung der Probenherstellung für komplexere Experimente.

Statische Kompressionsexperimente mit Drücken über 300 GPa sind äußerst anspruchsvoll und die Kompressionsumgebung ist oft nicht ideal. Dieses neue Probenpaket löst dieses Problem und mit einer verbesserten Kompressionsumgebung wird auch die Qualität der Zustandsgleichungsdaten verbessert.

Diese Arbeit ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu optimierten statischen Kompressionsexperimenten bei diesen Multi-Megabar-Bedingungen und liefert ergänzende Daten zu den Gaskanonen- und NIF-Experimenten, die am LLNL durchgeführt wurden.

„Von hier aus können wir zuverlässige Zustandsgleichungskalibrierungen von Materialien unter Bedingungen melden, die mehr als dem doppelten Druck entsprechen, der bei den meisten mit Diamantstempelzellen abgeleiteten Zustandsgleichungen gemessen wurde“, sagte die LLNL-Wissenschaftlerin Claire Zurkowski, Erstautorin des Artikels.

Das Team verwendete die von LLNL entwickelte toroidale Diamantstempelzelle, die regelmäßig > 300 GPa erreichen kann und eine Probenkammer mit einem Durchmesser von ca. 6 µm hat. Das ist etwa 20 Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares. In dieser kleinen Probenkammer stellten die Wissenschaftler dann in einem 10-stufigen Prozess ein Probenpaket im Mikromaßstab her, wobei das Zielmaterial in eine gleichmäßige Kapsel aus weichem Metall eingebettet wird, die als druckübertragendes Medium dient.

Da die Proben in der Diamantstempelzelle durch die Stempel nur entlang einer Achse komprimiert werden, ist es wichtig, diese Spannung gleichmäßig um das Probenmaterial herum zu verteilen, um eine zuverlässige Zustandsgleichungsmessung zu erreichen. Im Fall dieser Studie tut die Weichmetallkapsel genau das, sogar im Mikronmaßstab.

Die Experimente wurden am Argonne National Laboratory Sector 16 HPCAT und am Deutschen Elektronen-Synchrotron PETRA-III durchgeführt. Während die Wissenschaftler diese Methode an Molybdän mit einem druckübertragenden Kupfermedium testeten, kann dieses Probenpaket breit angewendet werden.

„Diese Arbeit markiert nur den Anfang der Mikrofabrikation von Probenpaketen in der toroidalen Diamantstempelzelle“, sagte Zurkowski. „Wir gehen davon aus, dass diese Methode der Probenverkapselung die Kalibrierung statischer Zustandsgleichungen in Materialien der Physik, Chemie und Planetenwissenschaften problemlos in den Multi-Megabar-Bereich bringen wird – Bedingungen, unter denen statische Kompressionsdaten derzeit sehr begrenzt sind.“

Zu den Co-Autoren gehören Rachel Lim, Olivia Pardo, Earl O’Bannon, Per Soderlind und Zsolt Jenei vom LLNL und K Glazyrin vom Deutschen Elektronen-Synchrotron.