為了測(cè)試粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，科學(xué)家們經(jīng)常使用巨大的加速器地下環(huán)來碰撞粒子。以類似的方式，高壓物理學(xué)家將材料壓縮到更大的壓力，以進(jìn)一步測(cè)試凝聚態(tài)物質(zhì)的量子理論，并挑戰(zhàn)使用最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)做出的預(yù)測(cè)。超過100萬個(gè)大氣壓的壓力能夠使原子電子云急劇變形，并改變?cè)拥呐帕薪M合方式。

這帶來了新的化學(xué)結(jié)合，并揭示了非同尋常的行為，如氦氣雨、鈉轉(zhuǎn)化為透明金屬、超離子水冰的出現(xiàn)，以及氫轉(zhuǎn)化為金屬流體。

隨著新技術(shù)不斷推進(jìn)高壓物理學(xué)的前沿，曾經(jīng)無法達(dá)到的太帕斯(TPa)壓力現(xiàn)在可以通過靜態(tài)或動(dòng)態(tài)壓縮在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)(1TPa相當(dāng)于大約1000萬個(gè)大氣壓)。

然而，準(zhǔn)確和精確地確定壓力為極端條件下的實(shí)驗(yàn)增加了另一個(gè)層次的復(fù)雜性。許多這些技術(shù)都依賴于一個(gè)校準(zhǔn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都依賴于對(duì)低壓校準(zhǔn)測(cè)量的推斷或理論模型來確定這種極端條件下的壓力。

來自勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和兵庫大學(xué)的科學(xué)家們通過在世界上能量最大的激光器 - 位于加利福尼亞州利弗莫爾的LLNL國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)和世界上最強(qiáng)大的脈沖功率設(shè)施 - 位于新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞Z機(jī)器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改變了這種情況。

使用一種被稱為無沖擊或斜坡壓縮的新方法，該團(tuán)隊(duì)以極高的精度確定了金和鉑在被擠壓到1TPa時(shí)有什么樣的表現(xiàn)。然后，他們利用他們的數(shù)據(jù)得出了新的壓力標(biāo)度，即1TPa。這項(xiàng)研究于本月4日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

"NIF和Z機(jī)器是獨(dú)特的設(shè)施，我們真正推動(dòng)了他們的能力，以進(jìn)行盡可能精確的測(cè)量，"LLNL物理學(xué)家和該出版物的主要作者Dayne Fratanduono說。"為了進(jìn)行無沖擊壓縮，我們使用幾束激光或脈沖功率源來逐漸擠壓我們的樣品。但關(guān)鍵是要非常小心地控制增加樣品壓力的速度，以避免形成會(huì)破壞實(shí)驗(yàn)的沖擊波。而且必須牢記，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間遠(yuǎn)小于百萬分之一秒。"

"訣竅在于，大多數(shù)材料在被壓縮時(shí)都會(huì)變得更硬，所以我們要做的就是找到一臺(tái)機(jī)器，它不僅能提供足夠的動(dòng)力，還能提供足夠的控制來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，"LLNL物理學(xué)家兼共同作者M(jìn)arius Millot補(bǔ)充道。

據(jù)Fratanduono說，還有其他幾個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)高度精確性的關(guān)鍵：在目標(biāo)上加工微米大小的臺(tái)階時(shí)達(dá)到令人難以置信的精確程度;對(duì)這些臺(tái)階的測(cè)量;以及允許研究小組確定樣品如何被壓縮的超高速測(cè)速測(cè)量能力。

"這確實(shí)是幾十年來技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，"Fratanduono說。"經(jīng)過幾年的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)達(dá)到了這種成熟度，結(jié)合NIF和Z這兩個(gè)最好的高能量密度設(shè)施的各自優(yōu)勢(shì)，也是真正嚴(yán)格約束金和鉑的材料反應(yīng)的關(guān)鍵。"

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這些新的壓力標(biāo)尺將使全球的科學(xué)家同行能夠通過簡(jiǎn)單地測(cè)量一塊與他們感興趣的樣品一起壓縮的金或鉑的密度，輕松而精確地確定他們實(shí)驗(yàn)中的壓力。

Fratanduono說："這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)橛辛烁玫膶?shí)驗(yàn)中的壓力測(cè)定，我們將能夠真正測(cè)試?yán)碚擃A(yù)測(cè)和用世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行的量子模擬的基準(zhǔn)。這將為未來使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮的發(fā)現(xiàn)提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因?yàn)槲覀儗⒗^續(xù)測(cè)試我們對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的量子理論的理解，這是一個(gè)在凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)和量子化學(xué)結(jié)合處的活躍研究領(lǐng)域。由于我們的工作將使我們能夠更精確地測(cè)量行星成分在相關(guān)TPa壓力下的特性，我們也期望吸引地球物理學(xué)家、行星科學(xué)家和天文學(xué)家的興趣。"

關(guān)鍵詞： 無沖擊壓縮實(shí)驗(yàn) 新標(biāo)尺 源自 物理學(xué)