勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室( Laboratory for Laser Energetics-LLE)的Omega激光設(shè)備中探索了沖擊壓縮鉭的高壓行為。這項(xiàng)工作表明，鉭在高壓下沒有遵循預(yù)測的相變，而是保持體心立方相（body-centered cubic-BCC），直到熔化。

▲工作人員在Omega衍射實(shí)驗(yàn)期間拍攝的時間積分圖片，為更加了解鉭的特性提供可能。來源：E. Kowaluk/LLE。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory-LLNL)的研究人員在《 Physical Review Letters》上刊登了他們的新研究——如何在納秒時間尺度上研究鉭在幾兆巴壓力下的熔化。

該論文的主要作者Rick Kraus說：“這項(xiàng)工作為材料在此類極端的條件下熔化和反應(yīng)的研究提供了一種物理依據(jù)，在以前的實(shí)驗(yàn)中，沖擊壓縮下的熔化是通過沖擊速度或光學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)變化間接推斷出來的。能夠‘觀察’結(jié)構(gòu)從固體到液體的轉(zhuǎn)變是非常令人興奮的。這些技術(shù)和不斷更新的知識現(xiàn)在正被應(yīng)用于理解巖石行星的鐵芯是如何固化的，也被應(yīng)用于與此相關(guān)的其他材料?！?/p>

Kraus補(bǔ)充道：“這項(xiàng)研究解決了長期以來關(guān)于鉭的高壓和高溫相圖的爭議，表明BCC是高壓下的穩(wěn)定相，熔體曲線比以前的許多測量值更陡。除了鉭本身相圖的科學(xué)重要性之外，這項(xiàng)工作是開發(fā)動態(tài)壓縮平臺以精確限制熔化和凝固轉(zhuǎn)變的重要一部分。這些努力有助于確保研究人員在預(yù)測動態(tài)事件的結(jié)果時正確模擬這些轉(zhuǎn)變，比如在國家點(diǎn)火設(shè)施形成撞擊坑或加速燒蝕?！?/p>

該研究的合著者Federica Coppari認(rèn)為，隨著研究人員在這種極端條件下和短時間尺度實(shí)驗(yàn)中對熔體的明確測定，可幫助約束熔體的時間相關(guān)行為，并助力觀察平衡相邊界等動態(tài)實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)使用一束Omega激光在鉭樣品中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，通過使用另外12束為x光散射測量創(chuàng)建了一個基于等離子體的x光源。在每一個連續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，研究小組都增加了樣品中沖擊波的強(qiáng)度，使用被稱為“X射線粉末衍射成像板”(Powder X-Ray Diffraction Image Plate-PXRDIP)的x光衍射診斷來評估鉭的狀態(tài)。Kraus說: “我們觀察到了從固態(tài)BCC，到BCC和液態(tài)鉭的混合相，再到完全液態(tài)鉭的轉(zhuǎn)變。利用我們從這些實(shí)驗(yàn)中獲得的轉(zhuǎn)變壓力，以及之前關(guān)于鉭的狀態(tài)方程信息，我們還能夠限制鉭的熔化溫度。”

雖然相關(guān)研究非常充分，但之前大量研究表明鉭在高壓下熔化曲線測量結(jié)果不一致。因此，對于該團(tuán)隊來說，能夠解決材料研究中的爭議是很重要的，這樣就可以確保使用的是研究界公認(rèn)的正確技術(shù)，且保證相應(yīng)研究結(jié)果更好地為大家所認(rèn)同。

來源：R. G. Kraus et al, Melting of Tantalum at Multimegabar Pressures on the Nanosecond Timescale, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.255701