Zespół naukowców pod przewodnictwem Boba Naglera i Thomasa White'a niedawno zademonstrował nową metodę pomiaru temperatury atomów w ciepłej gęstej materii - poprzez bezpośrednio mierzenie prędkości atomów.
Wszystkie materiały mają określone temperatury topnienia i wrzenia, ale można je nad nimi przegrywać, dopóki nie osiągną entropowego poziomu „katastrofy” nagłego topnienia i gotowania.
Kiedy zespół przeszedł stałe złoto daleko poza jego teoretyczne limit do 19 000 Kelvins, przetrwał katastrofę entropii -, co sugeruje, że nie istnieje górna granica dla przegrzanych materiałów, jeśli są wystarczająco szybko podgrzewane.
Laser Focus World: Czyją było pomysłem, aby przegrzały złoto LCL? Co to zainspirowało?
Bob Nagler: Kiedy postanowiliśmy przeprowadzić eksperyment, naszym celem było opracowanie nowej metody pomiaru temperatury ciepłej gęstej materii. Ta sprawa jest tak gęsta jak solidna, ale podgrzana do dziesiątek lub setek tysięcy stopni Kelvin. Znajdziesz go w gigantycznych rdzeniach planet i gwiezdnych wnętrz, ale kiedy odtwarzamy go w laboratorium, faktycznie pomiar jego temperatury jest niesławnie trudny.
Uruchomiliśmy ten projekt, aby zająć się tym wyzwaniem, wykorzystując najzdolniejsze na świecie źródło promieniowe, SLAC National Accelerator's Coherentne źródło światła (LCLS), aby pomóc.
Thomas White:Chciałbym powiedzieć, że był to samotny - Wolf Flash of Brilliance, ale tak naprawdę pomysł pojawił się z długiego - frustracji na polu. Wiedzieliśmy, że potrzebujemy lepszego diagnostyki, a złoto stworzyło pomysł na test: dobrze rozprasza promienie x - i można je łatwo wykonać w cienkie folii wymagane do tej techniki. Nasz zespół z University of Nevada, Reno, SLAC i inni partnerzy spodziewali się, że złoto rozgrzeje się pod napromieniowaniem, ale to, jak gorąca substancja stała pozostała, zachowując krystaliczną strukturę. Nawet w tych ekstremalnych temperaturach złota sieć utrzymywała się poza oczekiwanym limitem porządku strukturalnego. Ta obserwacja zmieniła skupienie naszego projektu. To, co zaczęło się jako praktyczny wysiłek w celu zbudowania lepszego termometru, przekształciło się w głębsze badanie przegrzania i podstawowe limity stałych - materii stanowej w ekstremalnych warunkach.
LFW: Dlaczego LCL?
Biały:Opracowana przez nas metoda opiera się na wykryciu niewielkich zmian w tym, jak promienie X - rozpraszają atomy w materiale. W szczególności małe przesunięcia energii ujawniają temperaturę jonów. Wymaga nie tylko wyjątkowo jasnego źródła promieni x -, ale także wyjątkowo wąskiej przepustowości. Darmowe - lasery elektronowe, takie jak LCLS i kilka innych, takich jak Europejski XFEL, są w stanie dostarczyć tę kombinację. Są do miliarda razy jaśniejsze niż jakikolwiek synchrotron, co jest niezbędne, ponieważ nieelastyczne rozpraszanie jest niezwykle słabe - na kolejności kilku fotonów na strzał.
Nagler:LCLS to zasadniczo kilometr - Long X - laser Ray, który w tym eksperymencie działa również jako kilometr - Long Thermometr. Bez tej kombinacji jasności, spójności i precyzji spektralnej ten pomiar po prostu nie byłby możliwy.
LFW: Co dotyczył twojego eksperymentu?
Nagler: Podgrzewaliśmy ultracienną złotą folię - tylko 50 - nm grubość - przy użyciu częstotliwości - podwójnego lasera Ti: Sapphire, dając nam 400 - nm światło długości fali z pulsem. Pomimo ekstremalnych temperatur, które osiągnęliśmy, sam laser nie był szczególnie silny według standardów gęstości wysokiej energii. Użyliśmy tylko około ~ 0,3 mJ na impuls. Oznacza to, że część ogrzewania eksperymentu, tworzenie przegrzanego złota, może być w zasadzie odtworzone przez wiele laboratoriów laserowych na całym świecie.
Biały:Ale mierząc temperaturę tego, co tworzysz? To trudna część. W tym celu potrzebujesz promieni pasma wąskiego -, femtoseCond x -, które mogą zapewnić tylko obiekty takie jak LCLS i kilka innych XFELS. To sprawiło, że ten eksperyment był możliwy.
LFW: Jakie są kluczowe wyniki tego eksperymentu? Jakieś niespodzianki?
Nagler:Dla nas i naszego pola głównym wynosem jest to, że mamy teraz bezpośredni, model - do pomiaru temperatur jonowych w ekstremalnych stanach materii -, która była długą - wyzwanie w wysokim - energii - Physics. Technika ta otwiera drzwi do równań testu porównawczego, walidacji symulacji hydrodynamicznych i badanie materii w ramach reżimów, które wcześniej były eksperymentalnie poza zasięgiem.
Biały:Prawdziwa niespodzianka przyszła, gdy zobaczyliśmy, jak daleko możemy nacisnąć substancję stałą, zanim poddała się zaburzeniu. Spodziewaliśmy się, że złoto się stopi, gdy przekroczy określony próg -, ale nie. Kryształowa sieć utrzymywana razem w temperaturach ponad 14 -krotna temperatura topnienia - znacznie wykraczała poza to, co przewidziałaby standardowa termodynamika. To był „aha!” Moment: Nie tylko moglibyśmy wziąć temperaturę, ale sam system przeciwstawił się oczekiwaniom. Czyniąc to, znaleźliśmy nie tylko rozwiązywanie wyzwania diagnostycznego, ale także odkrywając nową fizykę, przekraczając granice przegrzania i powracając założenia dotyczące tego, kiedy i jak stałe topią się w ekstremalnych warunkach.
LFW: Jak to było obalić dekady - stara teoria?
Biały:Było to zabawne i fascynujące głębokie zanurzenie się w fizyce przegrzania, badając, jak daleko może zostać popchnięta, zanim się zepsuje, i uświadomienie sobie, że nawet dobrze - pojęcia wymagają starannego przemyślenia, gdy są stosowane do ultraszybkich, nierównościowych reżimów.
Nagler:Nie chodziło tyle o obalenie starych dziesięcioleci -, ponieważ pokazywała, że teoria niekoniecznie dotyczy FAR - od - superghowanych stanów równowagi. Oryginalna struktura zakłada układ w równowadze termicznej, powoli zbliżając się do temperatury topnienia, a nie jeden wysadzony przez femtosekundowy impuls laserowy. Zamiast obalić istniejącą teorię, było to bardziej jak wyjście poza domenę.
LFW: Co oznacza to odkrycie dla przegrzania?
Nagler:Pokazuje, że materia przegrzana w tych stanach nierówności może zachowywać się zupełnie inaczej niż można się spodziewać na więcej uruchomienia - - młyn - w pobliżu - systemów równowagi i byłoby interesujące eksploracja tych różnic.
Biały:Ostatecznie ponownie otwiera pytanie, czy istnieje prawdziwy limit do przegrzania w intensywnie napędzanym, daleko - z systemów równowagi -, czy też ciałdy stałe mogą przetrwać poza tym, co przewiduje tradycyjna termodynamika.
