在我們的下方有一個固體鐵和鎳的球體，其寬度跟德克薩斯州最寬的地方一樣，它是地球的內核。內核的金屬所承受的壓力比我們在日常生活中所經歷的高約3.6億倍，溫度大概跟太陽表面一樣。值得慶幸的是，地球的行星核心是完整的。但在太空中，類似的核心會跟其他天體發生碰撞進而導致核心的結晶材料迅速變形。
我們太陽系中的一些小行星是巨大的鐵質物體，科學家懷疑它們是災難性撞擊后的行星核心的殘留物。
測量在天體碰撞過程中或在地球核心發生的情況顯然是不太現實的。因此，我們對行星核心的大部分理解是基於對不太極端的溫度和壓力下的金屬的實驗研究。但能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員現在首次觀察到鐵的原子結構是如何變形以適應來自內核以外的壓力和溫度的壓力。
這些結果已經發表在《Physical Rreview Letters》上。
應對壓力
我們在日常生活中遇到的大多數鐵其原子排列成納米級的立方體，每個角有一個鐵原子，中心有一個鐵原子。但如果通過施加極高的壓力來擠壓這些立方體，它們就會重新排列成六邊形稜鏡，這使得原子能夠更緊密地包裹在一起。
SLAC的研究小組想看看，如果繼續對這種六邊形排列施加壓力以模仿鐵在地心或從太空返回大氣層期間發生的情況會發生什麼。“我們沒有完全達到內核條件，”研究的論文共同作者Arianna Gleason指出，“但我們達到了行星外核的條件，這真的很了不起。”Gleason是SLAC高能密度科學(HEDS)部門的科學家。
以前沒有人直接觀察過鐵在如此高的溫度和壓力下對壓力的反應，所以研究人員不知道它將如何反應。Gleason指出：“當我們繼續推動它時，鐵不知道該如何應對這種額外的壓力。而它需要緩解這種壓力，所以它試圖找到最有效的機制來做到這一點。”
鐵用來處理這種額外壓力的應對機制被稱為 “孿生(twinning)”。原子的排列向一側分流，將所有的六邊形稜鏡旋轉近90度。孿生是金屬和礦物中常見的壓力反應–石英、方解石、鈦和鋯都經歷過孿生。
“孿生使鐵具有令人難以置信的強度–比我們最初想象的要強–在它開始以更長的時間尺度進行塑性流動之前，”Gleason說道。
兩種激光器的故事
據了解，要達到這些極端條件需要兩種類型的激光器。第一種是光學激光器，它產生的衝擊波將鐵樣品置於極高的溫度和壓力下；第二種是SLAC的線性加速器相關光源(LCLS)的X射線自由電子激光器，它使研究人員能在原子水平上觀察鐵。來自法國里爾大學的論文第一作者Sébastien Merkel指出：“在當時，LCLS是世界上唯一可以做到這一點的設施。它一直是世界上其他類似設施的開路先鋒。”
該團隊向一個約人的頭髮絲寬度的微小鐵樣品發射了兩道激光，然後用熱和壓力的衝擊波擊中了鐵。“控制室就在實驗室的上方，，當你觸發放電時會聽到一聲巨大的爆響，”Merkel說道。
當衝擊波擊中鐵時，研究人員使用X射線激光來觀察衝擊如何改變鐵原子的排列。“我們能在十億分之一秒內進行測量，”Gleason說道，“在那一納秒內將原子凍結在哪裡，真的很令人興奮。”
研究人員收集了這些圖像並將它們拼接成一本顯示鐵變形的翻頁書。在實驗完成之前，他們不知道鐵的反應是否太快以至於他們無法測量或太慢他們永遠無法看到。Merkel說道。“在我們可以測量的時間尺度上發生孿生的事實，本身就是一個重要的結果。”
未來是光明的
這個實驗是理解鐵的行為的一個書架。科學家們已經收集了關於鐵在較低溫度和壓力下的結構的實驗數據並將其用於模擬鐵在極高溫度和壓力下的行為，但從來沒有人通過實驗測試這些模型。
“現在我們可以對一些真正基本的變形機制的物理模型豎起大拇指，豎起小拇指，”Gleason說道，“這有助於建立我們所缺乏的一些預測能力以模擬材料在極端條件下的反應。”
這項研究為鐵在極端高溫和高壓下的結構特性提供了令人興奮的見解。與此同時，這些結果還是一個有希望的指標，即這些方法也可以幫助科學家了解其他材料在極端條件下的表現。
Gleason說道：“現在我們已經開發出一種方法來進行這些測量，未來是光明的。作為LCLS-II項目的一部分，最近的X射線起伏器升級允許更高的X射線能量–使得對更厚的合金和對稱性更低、X射線指紋更複雜的材料的研究成為可能。”
這次升級還將使研究人員能夠觀察更大的樣品，這將使他們更全面地了解鐵的原子行為並改善他們的統計數據。另外，“我們將獲得更強大的光學激光器並獲准着手建造一個新的旗艦級petawatt激光設施，被稱為MEC-U，”Gleason指出，“這將使未來的工作更加令人興奮，因為我們將能毫無問題地進入地球內部的核心條件。”