Ein Forscherteam unter der Leitung von Bob Nagler und Thomas White zeigten kürzlich eine neue Methode zur Messung der Temperatur von Atomen in warm dichter Materie -, indem sie die Geschwindigkeit der Atome direkt messen.
Materials alle besitzen spezifische Schmelz- und Siedepunkte, können aber über ihnen überdrucken werden, bis sie eine Entropie -Katastrophe des plötzlichen Schmelzens und Kochens erreichen.
Wenn das Team festes Gold weit über seine theoretische Grenze auf 19.000 Kelvins überlebte, überlebte es die Entropie -Katastrophe -, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise keine Obergrenze für überschwächte Materialien gibt, wenn sie schnell genug erhitzt werden.
Laser Focus World: Wessen Idee war es, Gold mit LCLs zu überhören? Was hat es inspiriert?
Bob Nagler: Als wir uns vor dem Experiment vornahmen, war es unser Ziel, eine neue Methode zur Messung der Temperatur von warmen dichten Materie zu entwickeln. Diese Angelegenheit ist so dicht wie ein fester, aber auf Zehn oder Hunderttausende von Grad Kelvin erhitzt. Sie finden es in riesigen Planetenkernen und herausragenden Innenräumen, aber wenn wir es im Labor wieder herstellen, ist es felzisch schwierig, die Temperatur tatsächlich zu messen.
Wir haben dieses Projekt gestartet, um diese Herausforderung anzugehen, wobei wir die weltweit hellste X - Strahlquelle der weltweiten LINAC Coherent Light Source (LCLs) von SLAC National Accelerator von LINAC -Hilfsmittel angehen.
Thomas White:Ich würde gerne sagen, dass es ein einsamer - Wolfsblitz der Brillanz war, aber in Wahrheit kam die Idee aus langer Frustrationen auf dem Feld. Wir wussten, dass wir eine bessere Diagnose brauchten, und Gold machte das Ideentestmaterial: Es streuert X - Strahlen gut und kann leicht in die für diese Technik erforderlichen dünnen Folien verarbeitet werden. Unser Team an der Universität von Nevada, Reno, SLAC und anderen Partnern erwartete, dass das Gold unter Bestrahlung erwärmt wurde. Was jedoch auffiel, war, wie heiß der Feststoff blieb, während er seine kristalline Struktur aufrechterhielt. Selbst bei diesen extremen Temperaturen bestand das Goldgitter über die erwartete Grenze für die strukturelle Ordnung hinaus. Diese Beobachtung veränderte den Fokus unseres Projekts. Was als praktische Anstrengung begann, ein besseres Thermometer zu bauen, entwickelte sich zu einer tieferen Untersuchung der Überhitzung und den grundlegenden Grenzen von festem Zustand - Zustandsmaterie unter extremen Bedingungen.
Lfw: Warum LCLS?
Weiß:Die Methode, die wir entwickelt haben, beruht auf der Erkennung von winzigen Änderungen in der Art und Weise, wie x - Strahlen Atome in einem Material abstreu sie. Insbesondere zeigen kleine Energieverschiebungen die Temperatur der Ionen. Es erfordert nicht nur eine außerordentlich helle Quelle von X - Strahlen, sondern auch eine extrem enge Bandbreite. Kostenlose - Elektronenlaser wie LCLs und einige andere wie das europäische XFEL sind in einzigartiger Weise in der Lage, diese Kombination zu liefern. Sie sind bis zu einer Milliardenfachen heller als jedes Synchrotron, was unerlässlich ist, da die unelastische Streuung in der Reihenfolge von nur wenigen Photonen pro Aufnahme unglaublich schwach ist.
Nagler:LCLS ist im Wesentlichen ein Kilometer - langer x - Strahllaser, der für dieses Experiment auch als Kilometer - langes Thermometer fungiert. Ohne diese Kombination aus Helligkeit, Kohärenz und spektraler Präzision wäre diese Messung einfach nicht möglich.
Lfw: Was beinhaltete Ihr Experiment?
Nagler: Wir haben eine ultradünne Goldfolie - nur 50 - nm dick - unter Verwendung einer Frequenz - verdoppelt ti: saphire laser mit pulsdauer um 45 fs. Trotz der extremen Temperaturen, die wir erreichten, war der Laser selbst durch energiedichte Standards nicht besonders mächtig. Wir haben nur etwa ~ 0,3 MJ pro Puls verwendet. Dies bedeutet, dass der Heizteil des Experiments, die Erschaffung von überdachtem Gold, im Prinzip von vielen Laserlabors auf der ganzen Welt reproduziert werden könnte.
Weiß:Aber die Temperatur Ihres Erstellens messen? Es ist der schwierige Teil. Dafür benötigen Sie die ultrabright, schmale - Bandbreite, femtosecond x - Strahlen, die nur Einrichtungen wie LCLs und einige andere XFels liefern können. Das hat dieses Experiment möglich gemacht.
Lfw: Was sind die wichtigsten Imbissbuden dieses Experiments? Irgendwelche Überraschungen?
Nagler:Für uns und unser Gebiet ist der Hauptauftrieb, dass wir jetzt ein direktes Modell - freie Methode zur Messung der Ionentemperaturen in extremen Zuständen der Materie - haben, die eine lange - -Densitätsherausforderung in hoher {{3} Energie -} Density Physics war. Die Technik öffnet die Tür zum Benchmarking -Zustandsgleichungen, validiert hydrodynamische Simulationen und die Erforschung von Materie in Regimen, die zuvor experimentell außer Reichweite waren.
Weiß:Die wahre Überraschung kam, als wir sahen, wie weit wir einen Feststoff schieben konnten, bevor er der Störung nachgab. Wir haben erwartet, dass das Gold schmilzt, sobald es einen bestimmten Schwellenwert - überquerte, es jedoch nicht. Das Kristallgitter bei Temperaturen mehr als 14 -fach den Schmelzpunkt - weit über das, was die Standard -Thermodynamik vorhersagen würde. Das war das 'Aha!' Moment: Wir konnten nicht nur die Temperatur einnehmen, sondern das System selbst trotzt den Erwartungen. Dabei haben wir nicht nur eine diagnostische Herausforderung gelöst, sondern auch neue Physik entdeckt, die Grenzen der Überhitzung überschritten und die Annahmen darüber überprüft, wann und wie Feststoffe unter extremen Bedingungen schmelzen.
Lfw: Wie fühlte es sich an, eine Jahrzehnte zu widerlegen {- alte Theorie?
Weiß:Es war ein unterhaltsamer und faszinierender Tauchgang in die Physik der Überhitzung, untersuchte, wie weit ein Festkörper vor dem Zusammenbruch geschoben werden kann, und zu erkennen, dass selbst gut - etablierte Konzepte sorgfältig überdenken müssen, wenn sie auf ultraschnelle, nicht gleichzeitmarke Regime angewendet werden.
Nagler:Es ging nicht so sehr darum, eine Jahrzehnte zu widerlegen {- alte Theorie, wie es zeigte, dass die Theorie nicht unbedingt für weit - aus - Equilibrium überhitzte Zustände gilt. Das ursprüngliche Gerüst setzt ein System im thermischen Gleichgewicht an, das sich langsam dem Schmelzpunkt nähert und nicht von einem Femtosekunden -Laserpuls gesprengt wird. Anstatt die vorhandene Theorie aufzuheben, war dies eher wie ein Schritt aus seiner Domäne.
Lfw: Was bedeutet diese Entdeckung für die Überhitzung?
Nagler:Es zeigt, dass in diesen Nichtgleichgewichtszuständen die überdächte Materie ganz anders verhalten können, als Sie erwarten würden, dass - von - die - Mühle in der Nähe von - Gleichgewichtssystemen ist, und es wäre interessant, diese Unterschiede ausführlicher zu erkennen.
Weiß:Letztendlich wird die Frage wieder geöffnet, ob es eine wahre Grenze für Überhitzung in intensiv angetriebenem, weit - aus - -Abgleichgewichtssystemen gibt oder ob Feststoffe weit über das, was die traditionelle Thermodynamik vorhersagt, weiter bestehen kann.
