FAIR 시설에서 강력한 중이온빔을 이용한 다이아몬드 생산 및 행성 물리학에의 응용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1459(2023) 이 기사 인용

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다이아몬드는 운석, 탄소가 풍부한 별, 탄소가 풍부한 외계 행성 등 우주의 다양한 물체에 풍부하게 존재하는 것으로 추정됩니다. 또한 천왕성과 해왕성의 심층에서 메탄이 다이아몬드와 수소로 상분리되는 과정을 겪을 것이라는 예측도 실험적으로 검증됐다. 특히 이 문제를 연구하기 위해 고출력 레이저가 사용되었습니다. 따라서 실험실에서 다이아몬드 생산 과정을 더 자세히 연구하는 것은 천체물리학과 행성 물리학의 관점에서 중요합니다. 본 논문에서는 FAIR(반양성자 및 이온 연구 시설)에 건설 중인 중이온 싱크로트론 SIS100이 전달하는 강력한 우라늄 빔을 사용하여 고체 탄소 샘플의 내파에 대한 수치 시뮬레이션을 제시합니다. 다름슈타트에서. 이러한 계산은 우리가 제안한 실험 방식을 사용하여 mm3 크기의 다이아몬드를 생산하는 데 필요한 극한의 압력과 온도 조건을 생성할 수 있음을 보여줍니다.

다이아몬드는 우주 어디에나 존재합니다. 최대 2000개의 탄소 원자를 포함하는 작은 다이아몬드(나노다이아몬드)는 운석에 풍부하게 존재하며 일부는 태양계가 존재하기 전에도 별에서 형성됩니다1. 또한 다이아몬드는 탄소가 풍부한 별, 특히 백색 왜성에 존재한다고 제안되었습니다2. 더욱이, 일부 탄소가 풍부한 외계 행성은 거의 순수한 다이아몬드일 것으로 예상됩니다3,4. 이러한 물체에 직접 접근하는 것은 매우 어려운 일이므로, 실험실에서 다이아몬드 생산으로 이어지는 과정에 대한 보완적인 연구는 다양한 천체의 형성과 진화를 이해하는 데 매우 도움이 될 것입니다. 이는 탄소와 그 화합물을 행성 내부와 탄소를 다이아몬드로 변환하는 별에서 나오는 극한의 물리적 조건에 노출시킴으로써 달성할 수 있습니다. 이러한 연구로부터 이익을 얻을 수 있는 또 다른 연구 분야는 대규모 소행성 충돌의 결과로 생성된 다양한 적층 무질서 탄소 구조의 형성 조건을 조사하는 것입니다. 예를 들어, 충돌 현장인 Canyon Diablo와 Popigai에서 발견된 다이아파이트5,6,7이라고 불리는 다이아몬드 구조물이 있습니다. 이러한 다이아몬드 형태의 특수한 전자적 및 기계적 특성으로 인해 산업적으로 높은 잠재적 중요성을 가질 수 있으며 이는 그 중요성을 강조합니다.

고압 실험에 따르면 얼음 거대 행성인 천왕성과 해왕성의 메탄에서 다량의 다이아몬드가 형성되는 것으로 나타났습니다. 폴리스티렌 샘플을 레이저를 사용하여 동적으로 압축한 최근 실험8에서는 천왕성과 해왕성 표면 아래 약 10,000km에 존재할 것으로 예상되는 극한의 물리적 조건이 달성되었습니다. 여기에는 150GPa의 압력과 5000K의 온도가 포함됩니다. 이 실험은 이러한 조건에서 탄소-수소 분리와 다이아몬드 침전을 보여주었습니다. 100 펨토초 레이저 펄스를 사용하여 고도로 배향된 열분해 흑연 샘플을 조사한 또 다른 실험9에서는 레이저 조사 영역에서 나노 크기의 입방형 다이아몬드 결정이 형성되는 것이 관찰되었습니다.

강렬한 입자 빔은 이제 상당히 균일한 조건으로 고에너지 밀도(HED) 물질의 확장된 샘플을 생성하는 데 사용할 수 있는 새로운 도구로 간주됩니다. 레이저 가열 타겟과 비교하여 샘플의 긴 수명으로 인해 재료에 국부적인 열역학적 평형이 확립된다는 점은 흥미롭습니다. FAIR(Facility for Antiprotons and Ion Research)라는 고유한 가속기 단지가 다름슈타트에서 건설 중입니다. 이는 양성자부터 우라늄까지 모든 안정한 종의 강력한 입자 빔을 전달하는 중이온 싱크로트론 SIS100의 건설을 포함하는 국제 프로젝트입니다. 고에너지 밀도(HED) 물리학은 이 시설에서 철저하게 연구될 연구 분야 중 하나입니다. 실험 시설 건설을 감독하고 나중에 실험 실행을 조직하기 위해 HEDP@FAIR10이라는 국제 협력이 구성되었습니다. 이번 협력을 통해 HED 물리학 실험을 수행하기 위한 흥미로운 과학적 제안이 준비되었습니다. 이 실험 제안은 지난 20년 동안 수많은 출판물에 보고된 상세한 수치 시뮬레이션 및 분석 모델링을 포함하는 광범위한 이론적 연구의 결과입니다. 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. 이들 연구에 따르면 이온빔은 완전히 다른 두 가지 방식을 사용하여 HED 물질을 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 어떤 경우에는 빔에 의한 직접 등색 및 균일 가열에 의해 고체 물질에 높은 엔트로피와 고압 상태가 생성됩니다. 가열된 재료의 후속 등엔트로피 팽창을 통해 팽창된 뜨거운 액체, 2상 액체-가스 상태, 임계 매개변수 및 강하게 결합된 플라즈마를 포함한 중요한 HED 상태에 접근할 수 있습니다. HIHEX(Heavy Ion Heating and Expansion)라는 실험은 HED 물질의 다양한 단계의 상태방정식(EOS)과 수송 특성을 측정하기 위해 FAIR에서 수행될 예정입니다.