Améliorer la précision de la détermination de la pression dans les expériences de diffraction des rayons X nanosecondes

Les mesures de diffraction des rayons X sous compression dynamique pilotée par laser permettent aux chercheurs d’étudier la structure atomique de la matière à des centaines de milliers d’atmosphères de pression et de températures de milliers de degrés, avec de larges implications pour la physique de la matière condensée, la science planétaire et l’astronomie.

La détermination de la pression dans ces expériences repose souvent sur des mesures de vélocimétrie couplées à une modélisation qui nécessite une connaissance précise des propriétés optiques et thermomécaniques d’un matériau de fenêtre, ce qui entraîne une incertitude systématique importante.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Examen physique B, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) rendent compte d’une série d’expériences de diffraction des rayons X sur cinq métaux comprimés dynamiquement à 600 GPa (6 000 000 atmosphères de pression). En plus de collecter des informations sur la structure atomique de plusieurs échantillons compressés, l’équipe a démontré une approche différente pour la détermination de la pression applicable aux expériences de diffraction des rayons X sous compression en rampe quasi-isentropique.

« En fin de compte, cela améliorera notre compréhension des propriétés des matériaux dans des conditions extrêmes de pression et de température, un domaine de recherche stratégique du Laboratoire », a déclaré Federica Coppari, physicienne du LLNL, auteur principal de l’étude.

Ces dernières années, il y a eu une augmentation généralisée de l’utilisation de la compression dynamique pour générer des conditions extrêmes de pression et de température en laboratoire. Combinées aux mesures de diffraction des rayons X, ces expériences ont permis des découvertes sans précédent aux implications considérables pour la science planétaire et la physique de la matière condensée. Les exemples incluent la transition de phase solide-solide prévue depuis longtemps dans l’oxyde de magnésium et l’oxyde de fer, l’existence de la phase superionique exotique de la glace d’eau chaude et dense et la stabilité exceptionnelle du diamant FC8 jusqu’à une pression de 2 TPa. En science des matériaux, ces expériences ont été utilisées pour documenter la fusion du tantale dans des conditions extrêmes et pour caractériser les transitions de phase haute pression/haute température dans l’or.

Dans le nouveau travail, les scientifiques et collaborateurs du LLNL ont testé l’utilisation d’étalons in situ comme nouvelle approche de la détermination de la pression dans les expériences de diffraction des rayons X sous compression dynamique. De manière similaire à l’approche utilisée dans les mesures de diffraction des rayons X à haute pression avec des cellules à enclumes en diamant, cette méthode repose sur l’utilisation de matériaux dont l’équation d’état pression-densité est bien connue sous le nom de manomètres.

« En collectant leurs modèles de diffraction en plus de celui de l’échantillon à l’étude, on peut déterminer la densité et déduire la pression appliquée à l’échantillon en utilisant la relation pression-densité précédemment déterminée », a déclaré Coppari.

Plusieurs matériaux (une combinaison de platine, de tantale, d’or, de tungstène et de fer) ont été comprimés simultanément le long d’un chemin quasi-isentropique à des pressions de plusieurs centaines de GPa (plusieurs millions d’atmosphères) à l’Omega Laser Facility de l’Université de Rochester. La collecte des diagrammes de diffraction des rayons X à partir de l’étalon et des mesures de vélocimétrie simultanées a permis à l’équipe non seulement de valider les deux méthodes de détermination de la pression, mais également d’établir l’utilisation d’étalons in situ comme alternative viable à l’interféromètre de vitesse. Mesures du système pour tout réflecteur (VISAR) dans des expériences dynamiques de compression de rampe.

En plus de fournir une nouvelle capacité qui améliore la précision de la détermination de la pression d’un facteur quatre, ce travail valide une méthode qui a été largement utilisée dans les expériences de compression dynamique passées, ce qui contribuera à réduire l’écart entre les expériences de compression dynamique et statique. .

Parmi les autres auteurs du LLNL figurent Dayne Fratanduono, Marius Millot, Richard Kraus, Amy Lazicki, Ray Smith et Jon Eggert ainsi que des chercheurs du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester. Ce projet a également bénéficié de la contribution d’Eric Folsom, Renee Posadas et Russell Wallace, qui ont participé à l’assemblage des cibles et à la métrologie.