W środku gazowych olbrzymów, superziem i egzoplanet panują ciśnienia przekraczające milion atmosfer. W takich warunkach materia traci swoje “ziemskie” właściwości: atomy zaczynają układać się w nietypowe struktury, zmienia się przewodnictwo, gęstość, stabilność, a czasem cały materiał przechodzi w fazy, których nie sposób wytworzyć na powierzchni planety.
Czytaj też: Ciekły węgiel istnieje naprawdę. Naukowcy pokonali ekstremalne bariery fizyki
Złoto ma w tej układance wyjątkowy status. Jest stabilne chemicznie, doskonale widoczne w promieniach rentgenowskich i od dekad służy jako standard do kalibracji pomiarów wysokiego ciśnienia. W warunkach umiarkowanych znamy je niemal na wylot, ale przy ekstremalnych naciskach od lat pojawiały się rozbieżności między teorią a eksperymentami. Jedne modele przewidywały szybkie przejścia fazowe, inne znacznie większą stabilność jego “klasycznej” struktury.
Dlatego właśnie zespół z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) postanowił sprawdzić, jak złoto naprawdę się zachowuje – nie w symulacjach, lecz w realnym, laboratoryjnym ekstremum.
Laserowy młot ściska złoto
Aby doprowadzić złoto do 10 mln atmosfer, naukowcy musieli sięgnąć po najbardziej zaawansowane urządzenia, jakie istnieją: National Ignition Facility (NIF) oraz system laserowy OMEGA EP w Rochester. Stworzono tam precyzyjnie dobrane sekwencje impulsów laserowych, które ściskają próbkę tak szybko, że nie zdąży ona się stopić – pozostaje ciałem stałym, a to kluczowe, by śledzić zmiany struktury krystalicznej, a nie zachowanie cieczy. Jednocześnie w czasie krótszym niż miliardowa część sekundy wykonywane były zdjęcia dyfrakcyjne rentgenem, pozwalające zobaczyć, jak atomy reorganizują się pod rosnącym naciskiem. Nigdy wcześniej nie uchwycono złota w tak ekstremalnym stanie skupienia.
Czytaj też: Narodziny planet na naszych oczach. Przełomowe obserwacji pierwszych chwil nowego układu planetarnego
W normalnych warunkach atomy złota tworzą strukturę face-centered cubic (fcc) – sieć sześcienną o atomach w rogach i na ścianach. To klasyczny, stabilny układ, dobrze znany wszystkim materiałoznawcom. Nowe eksperymenty wykazały jednak, że ta struktura jest o wiele bardziej odporna na ściskanie, niż przewidywały niektóre teorie. Złoto zachowuje fcc aż do ciśnień sięgających dwukrotności nacisku panującego w jądrze Ziemi. Dopiero powyżej tego progu zaczyna się przemiana.
W części próbki pojawia się wtedy druga struktura – body-centered cubic (bcc), w której atomy siedzą w rogach sześcianu i w jego centrum. Co jednak szczególnie ciekawe, faza fcc nie znika od razu. Obie struktury współistnieją, co pokazuje, że przejście fazowe nie jest proste ani jednorodne.
Zrozumienie, jak metale zachowują się w terapaskalowych ciśnieniach, jest kluczowe dla modelowania wnętrz planet, zwłaszcza tych masywnych i skalistych. Od struktury kryształów zależą przewodnictwo cieplne, gęstość i sposób, w jaki energia przenosi się przez jądra planet. Jeśli złoto jest bardziej stabilne niż zakładano, trzeba przemyśleć modele, które zakładały wcześniejsze zmiany faz.
Równie dużo korzyści ma z tego fizyka fuzji termojądrowej. Urządzenia takie jak NIF wykorzystują ekstremalne ciśnienie i temperaturę do inicjowania reakcji, a znajomość zachowania metali “pod prasą” pozwala lepiej projektować elementy konstrukcyjne i osłony. Jest też trzeci aspekt – metrologia. Złoto od lat było standardem do pomiarów ciśnienia, ale brak pełnej wiedzy o jego ekstremalnych fazach wprowadzał niepewność do wielu eksperymentów. Nowe wyniki stanowią solidniejszy fundament do przyszłych badań.
Choć naukowcy po raz pierwszy zobaczyli złoto w terapaskalach, dopiero początek drogi. Aby dokładnie wyznaczyć granice faz i przewidzieć zachowanie metalu w eksplorowanych warunkach, potrzebne będą lepsze diagnostyki temperatury. Obecne badania pokazały, że ciśnienie to tylko część układanki – temperatura może równie mocno decydować o tym, kiedy materia zmienia strukturę.
W praktyce oznacza to, że w przyszłości naukowcy będą jeszcze głębiej badać, gdzie dokładnie przebiega granica między fcc a bcc i czy przy jeszcze większym nacisku pojawia się zupełnie nowa faza.