William J. Nellis

William J. Nellis
Född	( 1941-06-25 ) 25 juni 1941 Chicago , Illinois
Medborgarskap	Förenta staterna
Känd för	Framställning av metalliskt väte i flytande tillstånd
Utmärkelser	Bridgman Award of International Association of High Pressure Science and Technology (AIRAPT) Duvall Award of American Physical Society (APS) Fellow, Division of Condensed Matter Physics of APS Edward Teller Fellow (LLNL)
Akademisk bakgrund
Utbildning	BS Fysik PhD Fysik
Alma mater	Loyola University Chicago Iowa State University

William J. Nellis (född 25 juni 1941) är en amerikansk fysiker . Han är associerad vid fysikavdelningen vid Harvard University . Hans arbete har fokuserat på ultrakondenserad materia vid extrema tryck, densiteter och temperaturer som uppnås genom snabb dynamisk komprimering. Han är mest känd för den första experimentella observationen av en metallisk fas av tätt väte, ett material som förutspåddes existera av Eugene Wigner och Hillard Bell Huntington 1935.

Nellis har varit ordförande för International Association for the Advancement of High Pressure Science and Technology (AIRAPT) och ordförande i American Physical Society (APS) Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter. Han har mottagit Bridgman Award of AIRAPT, Duvall Award of APS och är Fellow i APS Division of Condensed Matter Physics.

Nellis är författare eller medförfattare till mer än 250 publicerade artiklar. Det mesta av hans forskning har fokuserats på material under eller efter dynamisk kompression vid höga tryck för egenskaper inklusive elektriska konduktiviteter , temperaturer, data från tillståndsekvationer och stötvågsprofiler för att undersöka kompressibilitet och fasövergångar i vätskor och fasta ämnen.

tidigt liv och utbildning

Nellis föddes i Chicago , Illinois 1941. Han tog sin BS-examen i fysik från Loyola University of Chicago , College of Liberal Arts and Sciences, 1963 och sin Ph.D. examen i fysik från Iowa State University 1968. Hans Ph.D. avhandlingsforskningen inkluderade mätningar av elektriska och termiska konduktiviteter hos enkristaller av de sällsynta jordartselementen Gadolinium , Terbium och Holmium i Ames National Laboratory i Iowa State.

Efter forskarskolan var Nellis postdoktor vid Materials Science Division vid Argonne National Laboratory (ANL), där han mätte elektriska och magnetiska egenskaper hos ordnade och oordnade legeringar av aktinidelementen Plutonium , Neptunium och Uran blandat med icke-magnetiska övergångsmetaller . Experimenten vid ISU och ANL utfördes vid kryogena temperaturer i intervallet 2 – 300 Kelvin.

Karriär och arbete

Från 1970 till 1973 var Nellis assisterande professor i fysik vid Monmouth College (ILL) där han undervisade i fysikkurser på grundnivå och var chef för Colleges datorcenter. 1973 lämnade han Monmouth för att ansluta sig till Lawrence Livermore National Laboratory (LNLL), där han utförde beräkningssimuleringar av kondenserad materia under dynamisk kompression driven av stötvågor genererade med höga explosiva ämnen.

1976 flyttade Nellis inom LLNL till High-Dynamic-Pressure Experimental Group, där han mätte egenskaper hos cirka 30 kryogena vätskor och fasta ämnen komprimerade dynamiskt till tryck i intervallet 20-500 GPa med tillhörande temperaturer upp till så mycket som flera 1000 Kelvins. Dessa molekylära vätskor är representativa för vätskor i det inre av jätteplaneter och i reagerade högexplosiva ämnen. Dessa temperaturer, tryck och densiteter genererades genom att en höghastighetsprojektil stötte mot ett målmaterial. Impactors accelererades med en tvåstegs lättgaspistol till hastigheter så stora som 8 km/s (18 000 mph). Impaktorerna var vanligtvis 25 mm i diameter och 2–3 mm tjocka. Proverna var 25 mm i diameter och 0,5 – 3 mm tjocka. Den experimentella livslängden var cirka 100 nanosekunder. Snabba elektriska och optiska mätningar gjordes med detektorer med sub-ns upplösningstid.

År 2003 gick Nellis i pension från LNLL och började på Institutionen för fysik vid Harvard University som Associate. Sedan han lämnade LLNL har Nellis samarbetat med forskare i Japan , Ryssland , Kina och Sverige , samt i USA .

Nellis har också varit involverad i International Association for the Advancement of High Pressure Science and Technology, AIRAPT, under större delen av sin karriär som vice president 1999 till 2003 och som president 2003 till 2007. Från 1998 till 2007 , tjänstgjorde han som redaktör för tidskriften Shock Waves.

Betydande upptäckter

Nellis är mest känd för den första experimentella observationen av en metallisk fas av tätt väte, ett material som förutspåddes existera av Wigner och Huntington 1935. Dynamisk kompression genererar temperatur T och entropi S vid snabb kompression och produkten TS styr fasstabiliteten via den fria energin. Genom att justera storleken och den tidsmässiga formen av en efterklangande chocktryckpuls dissocierar H 2 till H med tillräckligt stor densitet så att uppmätta elektriska konduktiviteter hos vätska H går över från halvledande till degenererad metall med Motts minsta metalliska konduktivitet vid tryck 1,4 miljoner bar (140 GPa ₎ ), niofaldig H-atomdensitet i flytande H ₂ och beräknad temperatur på 3000 K. Liknande elektriska konduktiviteter för H under multi-chock-kompression har mätts av Fortov et al. Celliers et al vid den pulsade NIF-lasern har uppmätt optisk reflektivitet för tät flytande metallisk D på ~0,3 under multiple-chock-kompression, vilket värde överensstämmer med början av metallisering av D beräknat av Rillo et al. Uppmätta elektriska konduktiviteter för vätska SiH ₄ upp till 106 GPa under flerstötskompression med en tvåstegs lättgaspistol stämmer väl överens med de elektriska konduktivitetsdata som uppmätts i.

När tryckberoendet för den elektriska ledningsförmågan hos halvledande och metallisk vätska H mättes, användes dessa ledningsförmåga för att ta itu med den troliga orsaken till de ovanliga externa magnetfälten på planeterna Uranus och Neptunus, som varken är dipolära eller axisymmetriska som jordens fält och andra planeter med magnetfält. Planetfält orsakas av konvektion av elektriskt ledande vätskor i deras inre, varav de flesta i Uranus och Neptunus är väte. Eftersom den elektriska ledningsförmågan hos vätska H närmar sig metallisk vid ~100 GPa, genereras de magnetiska fälten hos Uranus och Neptunus främst nära deras yttre ytor, vilket antyder förekomsten av icke-dipolära bidrag till deras fält, som observerats. Eftersom Uranus och Neptunus är vätskor, finns inga starka roterande berglager i deras inre för att koppla förekomsten av planetarisk rotationsrörelse till de konvektiva strömmarna som genererar de magnetiska fälten hos Uranus och Neptunus. Hans experiment på vätskor som förväntas vid höga tryck och temperaturer i djupa planetariska interiörer har stora konsekvenser för att ta fram bilder av jätteplaneternas inre både i detta och i andra solsystem.

Genom sin forskning upptäckte Nellis också att vid mycket höga dynamiska chocktryck och temperaturer har elektroner i metaller och starka isolatorer ett gemensamt enhetligt beteende i chockhastighetsrymden, vilket är analogt med Asymptotic Freedom i subnukleär högenergifysik. Mekanismen i isolatorer är en övergång från starka lokala riktade elektroniska bindningar till en mer komprimerbar delokaliserad elektronisk bandstruktur som är karakteristisk för metaller.

Hans teknik för att återvinna fasta ämnen så tunna som en mikron intakt från stöttryck upp till en miljon bar har underlättat syntesen av metastabila material för karakterisering av materialstrukturer och fysikaliska egenskaper.

Pris och ära

• 1987 - Fellow i American Physical Society Division of Condensed Matter Physics
• 1998 - Duvall Award av American Physical Society Topical Group on Shock Compression
• 2000 - Teller Fellow, Lawrence Livermore National Laboratory
• 2001 - Bridgman Award från International Association for the Advancement of High Pressure Science and Technology

Utvalda artiklar

• WJ Nellis (2017). Ultrakondenserad materia genom dynamisk komprimering. Cambridge University Press.
• Nellis, WJ, Mitchell, AC, van Thiel, M., Devine, GJ, Trainor, RJ och Brown, N. (1983) Equation-of-state data for molekylärt väte och deuterium vid stöttryck i intervallet 2-76 GPa (20-760 kbar), Journal of Chemical Physics, 79, 1480-1486.
• Nellis, WJ, Maple, MB och Geballe, TH (1988). Syntes av metastabila supraledare genom högt dynamiskt tryck. I SPIE Vol. 878 Multifunctional Materials, ed. RL Bellingham: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, s. 2–9.
• Nellis, WJ, Weir, ST och Mitchell, AC (1996) Metallisering och elektrisk konduktivitet av väte i Jupiter, Science, 273, 936-938.
• Chau, R., Mitchell, AC, Minich, RW och Nellis, WJ (2003). Metallisering av flytande kväve och Mott-övergången i högt komprimerade låg-Z-vätskor, Physical Review Letters, 90, 245501-1-245501-4.
• Zhou, X., Nellis, WJ, Li, Jiabo, Li Jun, Zhao, W., et al (2015). Optisk emission, chockinducerad opacitet, temperaturer och smältning av Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ enkristaller chockkomprimerade från 41 till 290 GPa, Journal of Applied Physics, 118, 055903-1 -055903-9.
• Weir, ST, Mitchell, AC och Nellis, WJ (1996). Metallisering av flytande molekylärt väte vid 140 GPa (1,4 Mbar). Physical Review Letters, 76, 1860-1863.
• Nellis, WJ, Weir, ST och Mitchell, AC (1999). Minsta metalliska konduktivitet för flytande väte vid 140 GPa (1,4 Mbar). Physical Review B, 59, 3434-3449.
• Nellis, WJ, Louis, AA och Ashcroft, NW (1998). Metallisering av flytande väte. Philosophical Transactions of the Royal Society, 356, 119-138.
• Nellis, WJ (2000). Att göra metalliskt väte. Scientific American, 282, 84-90.
• Nellis, WJ (2019). Tät kvantväte. Low Temperature Physics/Fizika Nizhikh Temperatur, 45, 338-341.
• Arko, AJ, Brodsky, MB och Nellis, WJ (1972). Spinfluktuationer i Plutonium och andra aktinidmetaller och föreningar, Physical Review B, 5, 4564-4569.
• Hubbard, WB, Nellis, WJ, Mitchell, AC, Holmes, NC, Limaye, SS och McCandless, PC, (1991). Neptunus inre struktur: Jämförelse med Uranus, Science, 253, 648-651.
• Trunin, RF, red. (2001). Experimentella data om chockkompression och adiabatisk expansion av kondenserad materia. Sarov: Russian Federal Nuclear Center VNIIEF.
• Kanel, GI, Nellis, WJ, Savinykh, AS, Razorenov, SV och Rajendran, AM (2009). Svar av sju kristallografiska orienteringar av safirkristaller på stötspänningar på 16-86 GPa, Journal of Applied Physics, 106, 043524-1-043524-10.
• Liu, H., Tse, JS och Nellis, WJ (2015). Den elektriska ledningsförmågan hos Al ₂ O ₃ under stötkompression. Scientific Reports, 5, 12823-1-12823-9.