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

▲工作人員在Omega衍射實驗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驗室(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：“這項工作為材料在此類極端的條件下熔化和反應的研究提供了一種物理依據(jù)，在以前的實驗中，沖擊壓縮下的熔化是通過沖擊速度或光學性質的不連續(xù)變化間接推斷出來的。能夠‘觀察’結構從固體到液體的轉變是非常令人興奮的。這些技術和不斷更新的知識現(xiàn)在正被應用于理解巖石行星的鐵芯是如何固化的，也被應用于與此相關的其他材料?！?/p>

Kraus補充道：“這項研究解決了長期以來關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重要性之外，這項工作是開發(fā)動態(tài)壓縮平臺以精確限制熔化和凝固轉變的重要一部分。這些努力有助于確保研究人員在預測動態(tài)事件的結果時正確模擬這些轉變，比如在國家點火設施形成撞擊坑或加速燒蝕?！?/p>

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

該實驗使用一束Omega激光在鉭樣品中產(chǎn)生強烈的沖擊波，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)的實驗中，研究小組都增加了樣品中沖擊波的強度，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)鉭的轉變。利用我們從這些實驗中獲得的轉變壓力，以及之前關于鉭的狀態(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果不一致。因此，對于該團隊來說，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的正確技術，且保證相應研究結果更好地為大家所認同。

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