Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont récemment obtenu des données thermodynamiques de haute précision sur l’azote chaud et dense dans des conditions extrêmes qui pourraient conduire à une meilleure compréhension de l’intérieur des objets célestes comme les naines blanches et les exoplanètes.
L’équipe, qui comprend des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université de Rochester, a utilisé une technique avancée qui combine la pré-compression dans une cellule à enclume en diamant et la compression par choc laser à l’Omega Laser Facility de l’Université de Rochester. .
Les molécules d’azote (N2) constituent 78 % de l’air que nous respirons. Ils sont uniques car les deux atomes d’azote de N2 sont liés par une triple liaison covalente, qui est la plus forte de toutes les molécules diatomiques simples. L’azote est également un constituant important des corps célestes dans le système solaire externe et au-delà. Par exemple, on pense que des tempêtes d’ammoniac (NH3) existent sur des planètes géantes comme Jupiter, tandis que la planète naine Pluton, la lune glacée Titan de Saturne et la lune glacée Triton de Neptune ont des atmosphères riches en N2.
Des études antérieures avec cette technique puissante ont révélé des preuves expérimentales de la glace d’eau superionique et de la pluie d’hélium dans les planètes géantes gazeuses. Dans la nouvelle recherche, l’équipe a mené des expériences de choc sur un fluide d’azote moléculaire précomprimé jusqu’à 800 GPa (~ 8 millions d’atmosphères) de pression.
Ils ont observé des signatures claires pour l’achèvement de la dissociation moléculaire près de 70–100 GPa et 5–10 kK (milliers de kelvins) et le début de l’ionisation pour les électrons les plus externes au-dessus de 400 GPa et 50 kK.
« Il est très excitant que nous puissions utiliser des ondes de choc pour briser ces molécules et comprendre comment la pression et la densité induisent des changements dans la liaison chimique », a déclaré le physicien du LLNL Yong-Jae Kim, auteur principal d’un article paru dans Lettres d’examen physique. « Etudier comment briser les molécules d’azote et comment libérer des électrons est un excellent test pour les simulations informatiques et la modélisation théorique les plus avancées. »
L’équipe a également émis l’hypothèse que l’étude de l’azote pourrait aider à percer certains des mystères concernant le comportement des molécules d’hydrogène au stade précoce des implosions de fusion par confinement inertiel au National Ignition Facility.
« Alors que l’azote et l’hydrogène sont tous deux des molécules diatomiques légères, les atomes d’hydrogène sont si petits que reproduire leur comportement sous une pression et une température extrêmes avec des simulations informatiques est très complexe », a déclaré Kim.
L’équipe a examiné de plus près la comparaison entre les données expérimentales de la nouvelle recherche et les courbes pression-densité simulées correspondantes à partir de différentes densités initiales. La comparaison a renforcé la confiance dans la capacité des simulations informatiques utilisant la technique de dynamique moléculaire de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) à capturer avec précision les changements subtils de la physique quantique dans les propriétés des matériaux dans ces conditions auparavant non documentées. En particulier, les nouvelles données ont résolu un écart déroutant entre les expériences précédentes sur l’azote dense chaud et les prévisions basées sur les résultats des simulations DFT.
« Nous avons montré que la théorie de la fonctionnelle de la densité fonctionne très bien pour décrire nos expériences. C’est un test très rigoureux et utile », a déclaré Kim.
La recherche fait partie d’un projet de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) visant à développer de nouvelles techniques expérimentales de compression dynamique pilotées par laser avec des cibles de cellule à enclume en diamant (DAC). Ces techniques pourraient démêler de nouveaux phénomènes physiques et chimiques dans des mélanges à faible numéro atomique, tels que ceux riches en eau, sur une large gamme de conditions de pression-température-densité sans précédent. La recherche a des implications pour la formation et l’évolution des planètes et donne un aperçu des propriétés de la matière dans des conditions extrêmes.
En particulier, Kim dirige actuellement des expériences pour développer l’utilisation de cibles DAC au National Ignition Facility. Cela pourrait aider à étudier plus avant l’azote et à démêler de nouveaux phénomènes exotiques à des températures beaucoup plus basses, liés à l’observation des années 1980 du refroidissement induit par les chocs et à la prédiction des années 2010 d’une transition de premier ordre entre les fluides azotés moléculaires et polymères en dessous de 2 000 K.
« Il y a beaucoup plus de choses que nous pouvons apprendre de ce type d’expériences de compression dynamique laser », a déclaré Marius Millot, chercheur principal du LLNL du projet LDRD et auteur principal de l’article. « Il s’agit d’un domaine très excitant avec de multiples opportunités pour développer des mesures innovantes et démêler la réponse de la matière aux conditions extrêmes. C’est essentiel pour interpréter les observations astronomiques et mieux comprendre la formation et l’évolution des objets célestes tels que les naines blanches et les exoplanètes. »
Yong-Jae Kim et al, Evidence for Dissociation and Ionization in Shock Compressed Nitrogen to 800 GPa, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.015701