Een team van onderzoekers onder leiding van Bob Nagler en Thomas White demonstreerde onlangs een nieuwe methode om de temperatuur van atomen in warme dichte materie te meten - door de snelheid van atomen direct te meten.
Materialen bezitten allemaal specifieke smelt- en kookpunten, maar kunnen boven hen worden verwekt totdat ze een entropie "catastrofe" niveau van plotseling smelten en koken bereiken.
Toen het team oververhitte massief goud ver buiten zijn theoretische limiet tot 19.000 Kelvins, overleefde het de entropie -catastrofe - die suggereert dat er mogelijk geen bovengrens is voor oververhitte materialen als ze snel genoeg worden verwarmd.
Laser Focus World: Wiens idee was het om goud met LCLS oververhit? Wat heeft het geïnspireerd?
Bob Nagler: Toen we het experiment wilden doen, was ons doel om een nieuwe methode te ontwikkelen om de temperatuur van warme dichte materie te meten. Deze kwestie is net zo dicht als een vaste stof, maar verhit tot tientallen of honderdduizenden graden Kelvin. Je vindt het in gigantische planeet kernen en stellaire interieurs, maar wanneer we het in het laboratorium herscheppen, is het daadwerkelijk meten van de temperatuur berucht moeilijk.
We hebben dit project gelanceerd om deze uitdaging aan te gaan, met behulp van 's werelds helderste x - Ray Source, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Source (LCLS), om te helpen.
Thomas White:Ik zou graag zeggen dat het een eenzame - wolfflits van schittering was, maar in werkelijkheid kwam het idee uit lang uit - staande frustraties over het veld. We wisten dat we een betere diagnostiek nodig hadden en goud maakte het idee -testmateriaal: het verstrooid X - stralen goed en kan eenvoudig worden gemaakt in de dunne folies die nodig zijn voor deze techniek. Ons team van de Universiteit van Nevada, Reno, SLAC en andere partners verwachtten dat het goud zou opwarmen onder bestraling, maar wat opviel was hoe heet de vaste stof bleef met behoud van zijn kristallijne structuur. Zelfs bij deze extreme temperaturen bleef het gouden rooster verder dan de verwachte limiet voor structurele orde. Deze observatie verlegde de focus van ons project. Wat begon als een praktische inspanning om een betere thermometer te bouwen, evolueerde naar een dieper onderzoek naar oververhitting en de fundamentele limieten van vaste - statuskwestie onder extreme omstandigheden.
LFW: Waarom LCLS?
Wit:De methode die we hebben ontwikkeld, is gebaseerd op het detecteren van kleine veranderingen in hoe x - stralen van atomen in een materiaal verspreiden. In het bijzonder onthullen kleine energieverschuivingen de temperatuur van de ionen. Het vereist niet alleen een buitengewoon heldere bron van x - stralen, maar ook extreem smalle bandbreedte. Gratis - elektronenlasers zoals LCLS, en een paar andere zoals de Europese Xfel, zijn uniek in staat om deze combinatie te leveren. Ze zijn tot een miljard keer helderder dan elke synchrotron, wat essentieel is omdat de inelastische verstrooiing ongelooflijk zwak is - in de orde van slechts enkele fotonen per schot.
Zeur:LCLS is in wezen een kilometer - lang x - ray laser die, voor dit experiment, ook fungeert als een kilometer - lange thermometer. Zonder deze combinatie van helderheid, coherentie en spectrale precisie, zou deze meting gewoon niet mogelijk zijn.
LFW: Wat betreft uw experiment?
Zeur: We verwarmden een ultrathin gouden folie - slechts 50 - nm dik - met behulp van een frequentie - verdubbeld ti: sapphire laser, waardoor we 400 - nm golflengte licht met pulsduur rond 45 fs. Ondanks de extreme temperaturen die we hebben bereikt, was de laser zelf niet bijzonder krachtig volgens normen voor hoge energie-dichtheid. We gebruikten slechts ongeveer ~ 0,3 MJ per puls. Het betekent dat het verwarmingsgedeelte van het experiment, het creëren van oververhit goud, in principe door vele laserlaboratoria over de hele wereld kan worden gereproduceerd.
Wit:Maar meten de temperatuur van wat u maakt? Het is het moeilijke deel. Hiervoor heb je de ultrabright, smalle - bandbreedte, femtosecond x - stralen nodig die alleen faciliteiten zoals LCL's en een paar andere XFELS kunnen bieden. Het is wat dit experiment mogelijk maakte.
LFW: Wat zijn de belangrijkste afhaalrestaurants van dit experiment? Enige verrassingen?
Zeur:Voor ons en ons veld is de belangrijkste afhaalmaaltijden dat we nu een directe, model - vrije methode hebben voor het meten van iontemperaturen in extreme toestanden van materie - die een lange - staande uitdaging in hoge - energie -}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {{{{{{{{} niet in extreme {4} {4} {} {{} {4} niet, nu in hoog {}} {} {} is geweest, dat meten. De techniek opent de deur naar benchmarkingvergelijkingen van staat, het valideren van hydrodynamische simulaties en het verkennen van materie binnen regimes die voorheen experimenteel buiten bereik waren.
Wit:De echte verrassing kwam toen we zagen hoe ver we een vaste stof konden duwen voordat het toegeven aan wanorde. We verwachtten dat het goud zou smelten zodra het een bepaalde drempel overschreed - maar dat deed het niet. Het kristalrooster bij elkaar gehouden bij temperaturen meer dan 14x het smeltpunt - veel verder dan wat standaard thermodynamica zou voorspellen. Dit was de 'Aha!' Moment: we konden niet alleen de temperatuur nemen, maar het systeem zelf tartte de verwachtingen. Daarbij merkten we dat we niet alleen een diagnostische uitdaging oplossen, maar ook het blootleggen van nieuwe fysica, het verleggen van de grenzen van oververhitting en het opnieuw bekijken van veronderstellingen over wanneer en hoe vaste stoffen onder extreme omstandigheden smelten.
LFW: Hoe voelde het om een decennia te weerleggen - oude theorie?
Wit:Het was een leuke en fascinerende diepe duik in de fysica van oververhitting, en onderzoekt hoe ver een solide kan worden gepusht voordat het kapot gaat, en beseffen dat zelfs goed - gevestigde concepten zorgvuldig moeten heroverwegen wanneer toegepast op ultrasnelle, niet -evenwichtsregimes.
Zeur:Het was niet zozeer over het weerleggen van een decennia - oude theorie, maar dat werd aangetoond dat de theorie niet noodzakelijkerwijs van toepassing is op verre - van - evenwichtsoverwarmde toestanden. Het oorspronkelijke framework veronderstelt een systeem in thermisch evenwicht en nadert langzaam het smeltpunt, niet één geblazen door een femtoseconde laserpuls. In plaats van de bestaande theorie omver te werpen, leek dit meer op het stappen buiten zijn domein.
LFW: Wat betekent deze ontdekking voor oververhitting?
Zeur:Het laat zien dat oververhitte materie in deze niet -evenwichtstoestanden zich heel anders kunnen gedragen dan je zou verwachten voor meer run - van - De - molen nabij - evenwichtssystemen en het zou interessant zijn om deze verschillen in meer detail te verkennen.
Wit:Uiteindelijk wordt de vraag opnieuw geopenbaar of er een echte limiet is voor oververhitting in intens aangedreven, verre - van - evenwichtssystemen, of dat vaste stoffen veel verder kunnen blijven dan wat traditionele thermodynamica voorspelt.
