Екип от изследователи, ръководени от Боб Нагър и Томас Уайт, наскоро демонстрираха нов метод за измерване на температурата на атомите в топла плътна материя - чрез директно измерване на скоростта на атомите.
Всички материали притежават специфични точки на топене и кипене, но могат да бъдат прегряти над тях, докато достигнат ентропиено ниво на „катастрофа“ на внезапно топене и кипене.
Когато екипът прегря плътно злато далеч надхвърля теоретичната си граница до 19 000 келвини, той преживя катастрофата на ентропията -, което предполага, че може да няма горна граница за прегряти материали, ако се нагряват достатъчно бързо.
Лазерен фокус свят: Чия идея беше да прегря златото с LCLS? Какво го вдъхнови?
Боб Наглер: Когато се заехме да направим експеримента, нашата цел беше да разработим нов метод за измерване на температурата на топлата плътна материя. Тази материя е толкова гъста, колкото твърд, но се нагрява до десетки или стотици хиляди градуси Келвин. Намирате го в гигантски планетни ядра и звездни интериори, но когато го пресъздадем в лабораторията, всъщност измерването на температурата му е прословуто трудно.
Стартирахме този проект, за да се справим с това предизвикателство, използвайки най -яркия в света X - източник на лъчи, кохерентният източник на светлинна светлина на SLAC National Accelerator (LCLS), за да помогнем.
Томас Уайт:Бих искал да кажа, че това е самотен - вълк светкавица на блясъка, но в действителност идеята излезе от дълги -, стоящи безсилие през полето. Знаехме, че имаме нужда от по -добра диагностика и златото направи идеята за тестов материал: той разпръсна x - лъчите добре и може лесно да се превърне в тънки фолиа, необходими за тази техника. Нашият екип от Университета в Невада, Рено, СЛАК и други партньори очакваха златото да се загрее под облъчване, но това, което се открои, беше колко горещо остава твърдото вещество, като същевременно поддържа кристалната му структура. Дори при тези екстремни температури златната решетка се запазва извън очакваната граница за структурен ред. Това наблюдение измести фокуса на нашия проект. Това, което започна като практически усилия за изграждане на по -добър термометър, се превърна в по -задълбочено проучване на прегряването и основните граници на твърдото състояние - състоянието при екстремни условия.
Lfw: Защо LCLS?
Уайт:Методът, който разработихме, разчита на откриване на малки промени в начина, по който x - лъчите разпръскват атомите в материал. По -конкретно, малките енергийни смени разкриват температурата на йоните. Той изисква не само изключително ярък източник на x - лъчи, но и изключително тесна честотна лента. Безплатни - електронни лазери като LCLS и няколко други като Европейските XFEL са уникално способни да доставят тази комбинация. Те са до милиард пъти по -ярки от всеки синхротрон, което е от съществено значение, тъй като нееластичното разсейване е невероятно слабо - от порядъка на само няколко фотона на изстрел.
Nagler:LCLS по същество е километър - дълъг x - ray лазер, който за този експеримент също действа като километър - дълъг термометър. Без тази комбинация от яркост, съгласуваност и спектрална точност това измерване просто не би било възможно.
Lfw: Какво включи вашият експеримент?
Nagler: Нагревахме ултратиново златно фолио - само 50 - nm дебелина -, използвайки честота - удвои Ti: Sapphire Laser, като ни дава 400 - nm светлина с дължина на вълната с пулса на пулса около 45 fs. Въпреки екстремните температури, които достигнахме, самият лазер не беше особено мощен от стандартите с висока енергийна плътност. Използвахме само около ~ 0,3 mJ на импулс. Това означава, че отоплителната част от експеримента, създаването на прегрято злато, по принцип може да бъде възпроизведена от много лазерни лаборатории по целия свят.
Уайт:Но измерване на температурата на това, което създавате? Това е трудната част. За това се нуждаете от Ultrabright, тясна - честотна лента, femtosecond x - лъчи, които само съоръжения като LCL и няколко други XFEL могат да осигурят. Това е, което направи този експеримент възможен.
Lfw: Кои са ключовите поемания на този експеримент? Някакви изненади?
Nagler:За нас и нашето поле, основното поемане е, че сега имаме директен, модел - безплатен метод за измерване на йонни температури в екстремни състояния на материя -, което е дълга - постоянно предизвикателство във високо - енергия - плътност физика. Техниката отваря вратата към уравненията на състоянието на състоянието, валидиране на хидродинамични симулации и изследване на материята в режимите, които преди това са били извън обсега експериментално.
Уайт:Истинската изненада дойде, когато видяхме колко далеч можем да избутаме солидно, преди да се предаде на разстройство. Очаквахме златото да се стопи, след като пресече определен праг -, но не го направи. Кристалната решетка се държи заедно при температури над 14 пъти точката на топене - далеч над това, което ще предвиди стандартната термодинамика. Това беше „аха!“ МОМЕНТ: Не само бихме могли да поемем температурата, но и самата система опроверга очакванията. По този начин се озовахме не само да решаваме диагностично предизвикателство, но и да разкриваме нова физика, да натискаме границите на прегряване и да преразгледаме предположенията за това кога и как твърдите вещества се стопят при екстремни условия.
Lfw: Какво усещаше да опровергаеш десетилетия - стара теория?
Уайт:Това беше забавно и завладяващо дълбоко гмуркане във физиката на прегряването, изследване на това колко далеч може да бъде изтласкано, преди да се разпадне, и осъзнавайки, че дори добре - установените концепции се нуждаят от внимателно преосмисляне, когато се прилагат към ултрабързи, неравновесни режими.
Nagler:Не беше толкова много за опровергаването на десетилетия - стара теория, колкото показваше, че теорията не се прилага непременно към далеч - от - равновесно прегряти състояния. Оригиналната рамка приема система в термично равновесие, бавно приближаваща точката на топене, нито тази, взривена от фемтосекунда лазерен импулс. Вместо да преобърне съществуващата теория, това беше по -скоро като излизане извън неговия домейн.
Lfw: Какво означава това откритие за прегряване?
Nagler:Той показва, че свръхмогнатата материя в тези неравновесни състояния може да се държи съвсем различно, отколкото бихте очаквали за повече изпълнение - от - - мелницата близо до - равновесните системи и би било интересно да се проучат тези разлики по -подробно.
Уайт:В крайна сметка той отново отваря въпроса дали има истинска граница за прегряване в интензивно задвижване, далеч - от - равновесни системи или дали твърдите вещества могат да продължат да надхвърлят това, което предсказва традиционната термодинамика.
