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Des scientifiques révèlent une dynamique de fusion ultrarapide dans un matériau chauffé à des températures extrêmes

Des instantanés aux rayons X femtosecondes d’électrons de cuivre denses et chauds révèlent des phénomènes insaisissables qui ont été prédits il y a plus de dix ans. Crédit : Institut des sciences et technologies de Guangzhou

La matière ordinaire se comporte très différemment lorsqu’elle est exposée à des températures et des pressions extrêmes, telles que celles trouvées à l’intérieur des noyaux stellaires et des planètes. Les règles traditionnelles de la physique de la matière condensée et de la physique des plasmas ne s’appliquent pas dans de tels scénarios. En particulier, l’état extrême connu sous le nom de « matière dense chaude » (WDM) chevauche les frontières de la matière condensée et de la physique des plasmas.


On pourrait penser que de tels états ne pourraient jamais être créés dans un environnement terrestre. mais en fait, impulsions laser courtes qui n’est que femtosecondes (10-15 s, ou un quart de millionième de seconde) sont suffisamment sévères pour recréer de telles conditions en laboratoire. Les modèles physiques conventionnels décrivant de tels états supposent généralement que les électrons sont excités par l’impulsion laser et atteignent l’équilibre en quelques dizaines de femtosecondes tandis que les ions restent « froids ». Cependant, ce faisant, la dynamique de déséquilibre des électrons est complètement ignorée.

Pour explorer la dynamique de ce déséquilibre sous des conditions difficiles, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur agrégé Byung-Ik Cho de l’Institut des sciences et technologies de Gwangju en Corée a étudié un cas de WDM pour le cuivre généré à l’aide d’impulsions laser intenses. L’excitation optique pulsée a créé des électrons de cuivre avec un Température Environ 20 000 K, ce qui est similaire au noyau d’une planète géante. Ensuite, lorsque l’échantillon de cuivre était sur le point de fondre, les chercheurs ont pris des instantanés des électrons à l’aide d’impulsions de rayons X ultrarapides du laser à électrons libres de rayons X (XFEL). Cela leur a permis d’analyser ce qui se passe dans les métaux nobles, comme le cuivre, lorsque les électrons de la liaison sont trop excités et que les métaux sont sur le point de fondre. Les résultats de l’étude ont été publiés dans Lettres d’examen physique.

Une observation frappante est que lorsqu’elles sont rapidement chauffées, les liaisons entre les atomes de cuivre se sont d’abord solidifiées pendant environ un trillionième de seconde (10).−12 s) avant fusion. En termes simples, l’échantillon a gelé avant de se transformer en liquide. L’équipe a effectué une analyse théorique détaillée étayée par des simulations, qui ont révélé que si certains électrons étaient excités à des énergies plus élevées à ces températures plus élevées, certains ressentaient une attraction plus forte vers le noyau. « Ce phénomène a été prédit il y a environ une décennie, mais maintenant nous avons pu l’observer directement pour la première fois », commente le professeur Chu. « Cela pourrait améliorer notre compréhension des propriétés inhabituelles des matériaux dans des conditions extrêmes et des mécanismes qui les sous-tendent. »

Ces résultats peuvent être appliqués dans des contextes où les matériaux sont exposés à des pressions et des températures extrêmement élevées. « En capturant le moment exact où une substance commence à fondre ou à s’évaporer, nous pouvons générer de nouvelles phases de matière ou d’énergie, qui seront pertinentes pour des domaines tels que la fusion, les machines laser et même la nanochirurgie », spécule le professeur Chu.

Qui aurait pensé que la compréhension de l’intérieur des étoiles pouvait avoir des applications terrestres aussi pratiques ?


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Plus d’information:
Jung-Won Lee et al., Investigation de la dynamique électronique hors équilibre du cuivre dense chaud à l’aide de la spectroscopie d’absorption des rayons X femtoseconde, Lettres d’examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.175003

Fourni par GIST (Institut des sciences et technologies de Gwangju)

la citation: Des scientifiques révèlent une dynamique de fusion ultrarapide dans la matière chauffée à des températures extrêmes (2022, 10 janvier) Extrait le 10 janvier 2022 de https://phys.org/news/2022-01-scientists-reveal-ultrafast-dynamics-extreme.html

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Delphine Perrault

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