由SLAC国家加速器实验室的Graycen Wheeler制作
铁原子在高压下形成六边形晶格
在更高的压力和超快变形下，铁晶格通过一种叫做“孪生”的过程重新排列
“信用:S
默克尔/法国里尔大学 在你下方很远的地方，有一个由铁和镍构成的球体，其宽度大约相当于德克萨斯州最广阔的部分:地球的内核
内核的金属所承受的压力大约是我们日常生活中所经历的3.6亿倍，温度大约和太阳表面一样高
谢天谢地，地球的行星核心完好无损
但是在太空中，类似的内核会与其他物体碰撞，导致内核的晶体材料迅速变形
我们太阳系中的一些小行星是巨大的铁物体，科学家怀疑它们是灾难性撞击后行星核心的残留物
测量天体碰撞期间或地核发生了什么显然不太实际
因此，我们对行星核心的大部分理解是基于在不太极端的温度和压力下对金属的实验研究
但是美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员现在首次观察到铁的原子结构是如何形成的，以适应内核外部压力和温度的压力
结果出现在《物理评论快报》上，在那里它们被突出显示为编辑的建议
应对压力 你在日常生活中遇到的大多数铁的原子都排列在纳米立方体中，每个角落都有一个铁原子，中间有一个铁原子
如果你通过施加极高的压力挤压这些立方体，它们会重新排列成六边形棱柱，从而让原子更紧密地聚集在一起
研究人员重建了地球深处的环境，以观察铁是如何应对极端压力的
信用:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 SLAC的研究小组想知道，如果你不断向六边形排列施加压力，以模拟地球核心的铁或从太空重返大气层时的情况，会发生什么
SLAC高能密度科学(HEDS)部门的科学家、合著者阿里安娜·格里森说:“我们没有完全制造内核条件。”
“但是我们达到了行星外核的条件，这真的很了不起
" 之前没有人直接观察过铁在如此高的温度和压力下对压力的反应，所以研究人员不知道它会如何反应
格里森说:“当我们继续推动它时，熨斗不知道如何处理这种额外的压力。”
“它需要缓解这种压力，所以它试图找到最有效的机制来做到这一点
" 铁用来处理额外压力的应对机制被称为“孪生”
“原子的排列向侧面分流，将所有的六角棱镜旋转了近90度
孪晶是金属和矿物中常见的压力反应——石英、方解石、钛和锆都经历孪晶
格里森说:“在铁开始在更长的时间尺度上塑性流动之前，孪生使铁变得异常坚固——比我们最初想象的要坚固。”
两个激光器的故事 达到这些极端条件需要两种类型的激光器
第一种是光学激光器，它产生冲击波，使铁样品承受极高的温度和压力
第二个是SLAC的直线加速器相干光源(LCLS) X射线自由电子激光器，它允许研究人员在原子水平上观察铁
法国里尔大学的首席作者塞巴斯蒂安·默克尔说:“在那个时候，LCLS是世界上唯一可以做到这一点的设施。”
“这是世界上其他类似设施的开门器
" 研究小组向一个大约人类头发宽度的微小铁样本发射了两个激光，用热和压力的冲击波撞击铁
默克尔说:“控制室就在实验室的上方。”
“当你触发放电时，你会听到一声巨响
" 当冲击波击中铁时，研究人员使用x光激光观察冲击波如何改变铁原子的排列
“我们能够在十亿分之一秒内进行测量，”格里森说
“在纳秒内将原子冻结在原来的位置真的很令人兴奋
" 研究人员收集了这些图像，并将它们组装成一本动画书，展示了铁的变形
在实验完成之前，他们不知道铁的反应是太快而无法测量，还是太慢而无法观察
默克尔说:“事实上，结对发生的时间尺度，我们可以衡量它本身是一个重要的结果。”
未来是光明的 这个实验是理解铁的行为的一个开端
科学家们已经收集了低温低压下铁的结构的实验数据，并用它来模拟铁在极高温度和压力下的行为，但是还没有人对这些模型进行过实验测试
格里森说:“现在我们可以对一些真正的基本变形机制的物理模型竖起大拇指，竖起大拇指。”
“这有助于建立一些我们在模拟材料在极端条件下的反应时所缺乏的预测能力
" 这项研究为铁在极高温度和压力下的结构特性提供了令人兴奋的见解
但这些结果也是一个有希望的指标，表明这些方法也可以帮助科学家理解其他材料在极端条件下的行为
格里森说:“既然我们已经开发出了进行这些测量的方法，未来是光明的。”
“作为LCLS二号项目的一部分，最近的X射线波动器升级允许更高的X射线能量，从而能够研究对称性更低、X射线指纹更复杂的更厚的合金和材料
" 升级还将使研究人员能够观察到更大的样本，这将使他们更全面地了解铁的原子行为，并改善他们的统计数据
此外，格里森说:“我们将获得更强大的光学激光器，并被批准建造一个名为MEC-U的新型旗舰petawatt激光设施。”
“这将使未来的工作更加令人兴奋，因为我们将能够毫无问题地到达地球内核
"
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