V nitru Země je tlak až 360 GPa, v nitru Jupiteru 7 000 GPa a v nitru obřích exoplanet a hnědých trpaslíků až desítky tisíc GPa. Je v lidských silách připravit látku za tak extrémních podmínek? Podle teorie by se vodík při tlacích vyšších než 25 GPa měl za pokojové teploty stát kovem. V žádném experimentu se ale kovový vodík zatím připravit nepodařilo. Přitom by mělo jít o základní materiál obřích planet a malých hvězd. Extrémně silné pole Jupiteru domněnku kovového vodíku v jeho nitru nepřímo potvrzuje. Nejvyšší tlaky dosažitelné v laboratořích byly donedávna „jen“ desítky, maximálně stovky GPa. Tyto tlaky se dosahovaly na miniaturních vzorcích uložených mezi dvěma malými diamantovými kovadlinami. Jde o jakýsi svěrák, jehož čelisti tvoří velmi malé hroty dvou diamantových krystalů. Čím menší čelisti, tím vyšší tlak, protože tlak je roven působící síle dělené plochou. Stejný princip jistě znáte z běžného života: pokud vám dáma šlápne na nohu jehlovým podpatkem, zapůsobí na vás podstatně více, než když vás přišlápne jen teniskou.
V roce 2007 se tato technika získávání vysokých tlaků začala kombinovat s rázovou vlnou získanou laserovým pulzem. V roce 2009 byla publikována série experimentů, ve kterých se podařilo dosáhnout extrémních tlaků jen za pomoci laserového pulzu. Běžné prvky změnily své vlastnosti natolik, že bychom Mendělejevovu tabulku nepoznali. Například hliník, který je za pokojové teploty neprůhledným kovem se za vysokého tlaku stal průhledným izolantem. Pojďme se na experimenty posledních let, které doslova otevírají cestu do nitra obřích planet, podívat blíže.
|
Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. Jupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. Exoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první expoplaneta byla ale objevena až v roce 1995. Ke konci roku 2009 bylo objeveno již přes 400 expoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. Hnědý trpaslík – hvězda s tak malou hmotností (13÷80 MJ), že teplota v nitru nikdy nedosáhne bodu vzplanutí dostatečně energetických termojaderných reakcí (alespoň 8×106 K). Dalšímu stlačování vlivem gravitace a tím i nárůstu teploty zabrání elektronová degenerace. Od planet se liší tím, že vzniká kontrakcí zárodečné mlhoviny (planeta vzniká akrecí v periferní oblasti) a emituje po dobu několika miliard let viditelné světlo (planeta září v IR). |
| Univerzita v Berkeley, kovadlina a laser |
V roce 2007 publikoval profesor Raymond Jeanloz se svými kolegy z UCB revoluční metodu získávání extrémních tlaků. Po čtvrt století skupina vyvíjela diamantové kovadliny, ve kterých bylo možné stlačit vzorky maximálně na 500 GPa (5 milionů atmosfér), což je jen o něco více, než činí tlak v jádru Země. V těchto experimentech ukázali, že za tlaku přes 10 GPa v zemském plášti dominuje minerál perovskit, který za nízkých tlaků neexistuje. Jeanloz ve svých experimentech také prokázal, že na hranici jádra a pláště dochází k přeměně pevného pláště v tekuté kovové jádro.
V roce 2007 začali v UCB kombinovat metodu diamantové kovadliny s laserovým pulzem. Využili ultrafialový laser Omega Laboratoře laserové energetiky v New Yorku. Laboratoř je součástí Univerzity v Rochesteru a její laser Omega má energii jednoho pulzu 30 kJ. Pulz namířili na jednu z diamantových kovadlin, která se odpařila za vzniku explozivní rázové vlny působící na vzorek mezi kovadlinami. Hned při prvních experimentech získali na dvě nanosekundy tlak 1 000 GPa (1 TPa) a lze očekávat, že kombinací obou metod bude možné získávat i výrazně vyšší tlaky a hustoty s možností regulace teploty vzorku. Cesta k vyšším tlakům v laboratoři tak byla otevřena.
| Průhledný sodík v MPI |
Sodík je za normálních podmínek bělomodrým vysoce reaktivním kovem. Yanming Ma na čínské Univerzitě v Jilinu spočetl, že za vysokých tlaků by se alkalické kovy, jako sodík nebo lithium, měly stát průhlednými izolátory. Při tlaku 200 GPa dojde k pětinásobnému stlačení látky a elektronové obaly atomů sodíku se začnou prolínat. Elektrony z překrývajících se obalů jsou vytlačeny do děr mezi atomy a jejich shluky se začnou chovat jako záporné ionty. Měla by tak vzniknout velmi neobvyklá krystalická mříž ze sodíkových iontů a shluků vytlačených elektronů. Látka by se měla chovat jako iontová sloučenina nazývaná elektrid, která je nevodivá a průhledná.
Yanming Ma se spojil s profesorem Oganovem z americké Univerzity ve Stony Brook na Long Island, který je specialistou v teoretické krystalografii. Oganov potvrdil správnost výpočtů. Oba vědci poté kontaktovali experimentální skupinu v německém Institutu Maxe Plancka pro Chemii, kterou vedl Mikhail Eremets. Ten byl z počátku k předpovědi obou teoretiků skeptický, nicméně v laboratoři zahájili sérii experimentů s mikrometrovým vzorkem sodíku umístěným mezi dvěma diamantovými kovadlinami. Sodík se zvyšujícím se tlakem nejprve zčernal a při tlaku 200 GPa začal mít žlutavý nádech a skutečně se stal nevodivým a průhledným. Za pomoci ohybu RTG paprsků (ze zdroje APS z Argonne Laboratory, USA) byla určena krystalická struktura, která přesně odpovídala teoretickému výpočtu. Předpověď Maa a Oganova tak byla beze zbytku potvrzena. Za vysokých tlaků lze očekávat zcela nové fyzikální vlastnosti známých prvků. Objev byl publikován v roce 2009, v březnovém čísle časopisu Nature.
Zdroj: Stony Brook University.
| Experimenty s hliníkem v DESY |
V německém středisku jaderného výzkumu DESY mají k dispozici výkonný laser FLASH (viz např. AB 18/2008). Jde o laser na volných elektronech. Svazek elektronů je urychlován v konvenčním lineárním urychlovači a poté prochází undulátorem – segmentem se střídajícími se magnety, které vychylují elektronový svazek na jednu a vzápětí na druhou stranu. Elektrony svazku se pohybují po vlnovce a přitom září. Vzniká koherentní elektromagnetický pulz, jehož frekvence je laditelná od ultrafialového po měkké rentgenové záření. Celý laser FLASH je dlouhý 260 metrů. V současnosti se v DESY staví laser XFEL, který bude dlouhý 3 kilometry.
Mezinárodní tým vědců (obsahoval i několik Čechů) připravil mimořádně zajímavý experiment: vědci poslali na malý kousek hliníkové fólie pulz měkkého rentgenového záření z laseru FLASH. U laserových experimentů není většinou zřejmý dosažený tlak a zpravidla se uvádí výkon aplikovaný na jednotkovou plochu vzorku (plošný výkon). V popisovaném experimentu změnil aplikovaný plošný výkon 1016 W/cm2 vzorek k nepoznání. Z každého atomu byly laserovým pulzem vytrženy vnější elektrony. Přitom byl foton měkkého rentgenového záření z laserového pulzu absorbován. V této fázi byl tedy vzorek pro pulz neprůhledný. Zbylé elektrony v obalu se přemístily na orbitu bližší jádru a vytvořily kompaktnější strukturu odolnou vůči rentgenovému pulzu. Uvolněné elektrony zformovaly kolem vzniklých iontů hliníku horká oblaka. V tomto stavu již nebyl rentgenový pulz ničím absorbován a vzorek hliníku se stal na malou chvíli průhledným pro rentgenové záření. Tým připravil zcela nový stav hmoty, který ale netrval příliš dlouho. Energie soustředěná v horkém oblaku elektronů byla během několika nanosekund předána iontům a vzorek se rozprskl. Nicméně cesta k extrémním stavům hmoty, jež vzniknou při aplikaci gigantického laserového pulzu na malý vzorek látky, je schůdná. Objev byl publikován v roce 2009 zářijovém čísle časopisu Nature.
| Závěr |
Všechny popsané experimenty ukazují, že v laboratořích je možné dosáhnout extrémních stavů hmoty a není daleko doba, kdy bude možné vytvořit tlaky panující v nitru obřích planet. Nedávno byl uveden do provozu laser LCLS (Linac Coherent Light Source), který vznikl ze známého stanfordského lineárního urychlovače (má délku tři kilometry). Jde o laser na volných elektronech, ve kterém je laserový paprsek generován v undulátoru. Na tomto rentgenovém zdroji bude možné dosáhnout ještě extrémnějších stavů hmoty než doposud. Představa výzkumu látky nacházející se v samém centru obřích exoplanet nebo menších hvězd se tak rychle přibližuje realitě. A nejde jen o obří lasery, existují i jiné možnosti. Pokud protéká plazmovým sloupcem elektrický proud, vzniká kolem magnetické pole, které sloupec stlačuje k ose. Vzniklý útvar se nazývá pinč (z anglického pinch – stisknout). Jde o jinou alternativu, jak získat extrémně husté a horké stavy hmoty, kterou se vydali vědci v další řadě vědeckých pracovišť. Popis takových aktivit ale přesahuje rámec tohoto článku.
Zdroje:
1. Robert Sanders: Generating Pressures at the Cores of Giant Planets; UC Berkeley News, May 2, 2007
2. Yanming Ma et al.: Transparent dense sodium; Nature 458, 182-185, March 12, 2009
3. Stony Brook University: Metal Becomes Transparent Under High Pressure; PhysOrg, March 12, 2009
4. Stony, Brook University: Metal Discovered To Become Transparent Under High Pressure; Science daily, March 13, 2009
5. Yanming Ma: A Metal That Becomes Transparent under Pressure; APS Science, Argonne Nat. Lab., April 20, 2009
6.
Stephen Battersby: Transparent metal hints at nature of planets'
cores; New Scientist, 26 July 2009
7.
ANI: Transparent material may shed light on planets cores;
Thaindian News, July 27, 2009
8. Bob Nagler et al.: Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photoionization; Nature Physics 5, 693–696, September 1, 2009
9. APS: On The Path To Metallic Hydrogen; Science Daily August 4, 2009
10. Michal Marčišovský: Lasery na báze voľných elektrónov; AB 18/2008
