江苏激光产业创新联盟|《Science Advances》:采用激光在压力下检查铁元素的结构转换动力学，原创：《ScienceAdvances》:采用激光在压力

_本文原题为：《ScienceAdvances》:采用激光在压力下检查铁元素的结构转换动力学
江苏激光联盟导读：铁由于在社会工业制造中的应用广泛和在行星中的重要性，而成为化学元素中研究比较多的元素之一。因此，对其结构转换的动力学研究就显得至关重要。通过将一个短脉冲的激光器和一个超短的自由电子激光脉冲组合在一起，来自美国LawrenceLivemore国家实验室的研究人员采用在50-ps到2500-ps之间测量的高质量的X射线衍射数据进行了铁的亚纳秒结构动力学的研究。研究人员明确的识别出在衰变冲击条件下在初始压力和二波结构时的三波结构。这包括已知的铁的结构类型如α-,γ-和ε-相。在最后阶段，在稀疏波的传播的过程中产生负晶格压力，从而导致扩展相的生成和γ-的生成。研究人员的这一研究结果表明在前所未有的时间和应变率的条件下，全部的晶格压缩和释放过程会导致原子进化的测量这一独特的能力。

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铁是行星中核合成元素中最为稳定和元素质量较重的化学元素，使得该元素成为地球和宇宙以及岩石行星中最为富集的元素之一。为了更好的理解高压之下铁的行为，来自美国LawrenceLivermore国家实验室的物理学家及其国际合作研究者一起发现了在激光冲击铁时的亚纳秒结构的相变过程。这一研究法宝在6月5日发表在顶刊《ScienceAdvances》杂志上。

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激光器泵浦和X射线自由电子激光探头的实验装置示意图
图解：多晶铁作为靶材采用泵浦激光设备来进行照射。目标的晶格间距采用X射线自由电子激光在传输几何的条件下进行探测
该项研究成果可以帮助科学家在冲击压缩的全过程中利用高分辨率的X射线衍射测量来进行更好的理解地球和其他行星中的Fe的物理、化学和磁性能。这一技术允许在250ps时的弹性压缩的开端和在300-600ps之间的三波结构的推断观测时对时机的把握成为可能。 X射线衍射结果揭示了在50ps时间内Fe从环境Fe到高压铁之间的著名的相转变过程。

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在选择的时间间隔下相应的激光冲击波传播时激光冲击4μm厚度的铁的衍射图像
图解：(A)α-相(110),(200),(211),(220),和(310)发射且边缘痕迹为定点（222）时且在环境条件下（0ps）的Debye-Scherrer环(B)1D流体动力学HELIOS-CR模拟结果表明样品的后部表面预测的突破时间，衍射图像及其相应的冲击扩展阶段在延迟时间为(C)250,(D)500,(E)700,and(F)1200ps的图像.
在环境条件下，金属铁是稳定的BCC结构，但在一定压力之下，如高达13吉帕压力下（130,000倍于地球上的环境大气压），铁就会转换成无磁性的hcp结构。这一转变是一个无扩撒相变过程，并且科学家可以看到在环境大气压和高压环境下铁的共存。
但依然对铁的相边界位置以及该相发生的动力学问题存在争论。
该团队集合泵浦激光器和X射线自由电子激光探测装置，在前所未有的时间分辨率的条件下（即50ps且高压的条件下），利用冲击压缩铁来进行铁原子结构演变的观察。该技术显示了铁的所有已知的结构类型。

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【江苏激光产业创新联盟|《Science Advances》:采用激光在压力下检查铁元素的结构转换动力学，原创】激光冲击4μm厚度的铁且在延迟时间的条件下得到的衍射图谱的变化
研究团队甚至还发现了在650ps时间之后发生了新相，其密度同环境铁相近或者密度低于环境铁。