ionisation sous pression

Les scientifiques ont mené des expériences en laboratoire au National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory qui ont généré les compressions extrêmes nécessaires à l’ionisation sous pression. Leurs recherches offrent de nouvelles perspectives pour la physique atomique à des pressions de l’ordre du gigabar, ce qui profite à l’astrophysique et à la recherche sur la fusion nucléaire. Crédit : Illustration graphique par Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory ; en médaillon de Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé avec succès le laser le plus puissant au monde pour simuler et étudier l’ionisation induite par la pression, un processus essentiel pour comprendre la structure des planètes et des étoiles. La recherche a révélé des propriétés inattendues de la matière extrêmement comprimée et a des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.

Les scientifiques ont mené des expériences en laboratoire au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) qui fournissent de nouvelles informations sur le processus complexe d’ionisation piloté par la pression dans les étoiles géantes et les planètes. Leurs recherches, publiées le 24 mai dans Naturerévèle les propriétés matérielles et le comportement de la matière sous compression extrême, offrant des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.

“Si vous pouvez recréer les conditions qui se produisent dans un objet stellaire, alors vous pouvez comprendre ce qui se passe à l’intérieur”, a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la division Haute densité d’énergie au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie. « C’est comme placer un thermomètre sur l’étoile et mesurer sa température et l’effet de ces conditions sur les atomes à l’intérieur du matériau. Cela peut nous apprendre de nouvelles façons de manipuler la matière pour les sources d’énergie de fusion.”

L’équipe de recherche internationale a utilisé le laser le plus grand et le plus énergétique au monde, le National Ignition Facility (NIF), pour générer les conditions extrêmes nécessaires à l’ionisation sous pression. À l’aide de 184 faisceaux laser, l’équipe a chauffé l’intérieur d’une cavité, convertissant l’énergie laser en rayons X qui ont chauffé une couche de béryllium de 2 mm de diamètre placée au centre. Alors que l’extérieur de la coquille se dilatait rapidement en raison du chauffage, l’intérieur s’accélérait vers l’intérieur, atteignant des températures d’environ deux millions de Kelvin et des pressions allant jusqu’à trois milliards d’atmosphères, et créant un petit morceau de matière comme celui que l’on trouve dans les étoiles naines. pendant quelques nanosecondes dans l’espace. laboratoire.

L’échantillon de béryllium hautement comprimé, jusqu’à 30 fois sa densité solide ambiante, a été sondé à l’aide de la diffusion des rayons X Thomson pour déduire sa densité, sa température et sa structure électronique. Les résultats ont révélé qu’après un chauffage et une compression intenses, au moins trois des quatre électrons du béryllium sont entrés dans des états conducteurs. De plus, l’étude a découvert une diffusion élastique étonnamment faible, indiquant une localisation réduite de l’électron restant.

La matière à l’intérieur des planètes géantes et de certaines étoiles relativement froides est fortement comprimée par le poids des couches supérieures. A de telles pressions élevées, générées par une forte compression, la proximité des noyaux atomiques conduit à des interactions entre les états de liaison électronique des ions voisins et finalement à leur ionisation complète. Alors que l’ionisation dans les étoiles brûlantes est principalement déterminée par la température, l’ionisation induite par la pression domine dans les objets plus froids.

Malgré son importance pour la structure et l’évolution des objets célestes, l’ionisation sous pression en tant que voie vers la matière hautement ionisée n’est pas bien comprise théoriquement. De plus, les états extrêmes requis de la matière sont très difficiles à créer et à étudier en laboratoire, a déclaré le physicien du LLNL, Tilo Döppner, qui a dirigé le projet.

“En recréant des conditions extrêmes similaires à celles à l’intérieur des étoiles et des planètes géantes, nous avons pu observer des changements dans les propriétés des matériaux et la structure des électrons qui ne sont pas capturés par les modèles actuels”, a déclaré Döppner. « Nos travaux ouvrent de nouvelles voies pour étudier et modéliser le comportement de la matière sous compression extrême. L’ionisation dans les plasmas denses est un paramètre clé car elle affecte l’équation d’état, les propriétés thermodynamiques et le transport du rayonnement à travers l’opacité.”

La recherche a également des implications importantes pour les expériences de fusion par confinement inertiel au NIF, où l’absorption et la compressibilité des rayons X sont des paramètres clés pour optimiser les expériences de fusion à haut débit. Une compréhension complète de l’ionisation sous l’effet de la pression et de la température est essentielle pour modéliser les matériaux comprimés et, en fin de compte, pour développer une source d’énergie abondante et sans carbone grâce à la fusion nucléaire par laser, a déclaré Döppner.

« Les capacités uniques du National Ignition Facility sont inégalées. Il n’y a qu’un seul endroit sur Terre où nous pouvons créer les compressions extrêmes des noyaux planétaires et des intérieurs stellaires en laboratoire, les étudier et les observer, et c’est dans le laser le plus grand et le plus énergétique du monde”, a déclaré Bruce Remington, du programme NIF Discovery. Science. chef. “S’appuyant sur des recherches antérieures au NIF, ce travail élargit les frontières de l’astrophysique de laboratoire.”

Référence : « Observation of the initiation of pressure-driven K-shell delocalization » par T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol , RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer et DO Gericke, 24 mai 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05996-8

Dirigée par Döppner, l’équipe de recherche du LLNL comprenait les co-auteurs Benjamin Bachmann, Laurent Divol, Otto Landen, Michael MacDonald, Alison Saunders et Phil Sterne.

La recherche pionnière est le résultat d’une collaboration internationale pour développer la diffusion des rayons X Thomson au NIF dans le cadre du programme Discovery Science du LLNL. Les collaborateurs comprenaient des scientifiques du National Accelerator Laboratory SLAC, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université de Rostock (Allemagne),[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).