Tím vedcov vedených Bobom Naglerom a Thomasom Whiteom nedávno preukázal novú metódu na meranie teploty atómov v teplej hustej hmote - priamym meraním rýchlosti atómov.
Materiály majú špecifické topenie a varné body, ale nad nimi sa dajú prehriať, až kým nedosiahnu entropiu „katastrofu“ náhleho topenia a varu.
Keď tím prehrial pevné zlato ďaleko za jeho teoretickým limitom na 19 000 kelvinov, prežil entropickú katastrofu {{}}, čo naznačuje, že nemusí existovať horná hranica pre prehrievané materiály, ak sa dostatočne rýchlo zahrievajú.
Svet laserového zaostrenia: Koho nápad to bolo prehriate zlato s LCLS? Čo to inšpirovalo?
Bob Nagler: Keď sme sa rozhodli urobiť experiment, naším cieľom bolo vyvinúť novú metódu na meranie teploty teplej hustej hmoty. Táto záležitosť je rovnako hustá ako pevná látka, ale zahrievaná na desiatky alebo stovky tisíc stupňov Kelvina. Nájdete to v obrovských jadrách planéty a hviezdnych interiérov, ale keď ich znovu vytvoríme v laboratóriu, v skutočnosti je meranie jeho teploty neslávne ťažké.
Tento projekt sme spustili na riešenie tejto výzvy pomocou najjasnejších X - Ray Source, SLAC Národného akcelerátora LINAC Coherent Source (LCLS) (LCLS).
Thomas White:Rád by som povedal, že to bol osamelý - vlk brilantný, ale v skutočnosti táto myšlienka vyšla z dlhých - stojacich frustrácií v celom poli. Vedeli sme, že potrebujeme lepšiu diagnostiku, a zlato urobilo testovací materiál nápadu: rozptyľuje x - lúče dobre a dá sa ľahko vyrobiť do tenkých fólií potrebných pre túto techniku. Náš tím na University of Nevada, Reno, SLAC a ďalší partneri očakávali, že zlato sa zahreje pod ožarovaním, ale to, čo vynikalo, bolo to, ako horúca zostala pevná látka pri zachovaní svojej kryštalickej štruktúry. Dokonca aj pri týchto extrémnych teplotách pretrvávala zlatá mriežka za očakávaným limitom štrukturálneho poriadku. Toto pozorovanie presunulo zameranie nášho projektu. To, čo sa začalo ako praktické úsilie o vybudovanie lepšieho teplomeru, sa vyvinulo v hlbšie vyšetrovanie prehriatia a základné limity tuhých - v extrémnych podmienkach.
LFW: Prečo LCLS?
Biela:Metóda, ktorú sme vyvinuli, sa spolieha na detekciu malých zmien v tom, ako X - lúče rozptyľujú atómy v materiáli. Konkrétne malé energetické posuny odhaľujú teplotu iónov. Vyžaduje to nielen mimoriadne jasný zdroj lúčov X-, ale aj extrémne úzku šírku pásma. Free - lasery ako LCLS a niekoľko ďalších, ako napríklad európsky XFEL, sú jedinečne schopné dodať túto kombináciu. Sú miliardy krát jasnejšie ako akýkoľvek synchrotrón, čo je nevyhnutné, pretože nepružná rozptyl je neuveriteľne slabý - rádovo iba pár fotónov na výstrel.
Nagler:LCLS je v podstate kilometer - dlhé x - lúčový laser, ktorý pre tento experiment tiež pôsobí ako kilometer - dlhý teplomer. Bez tejto kombinácie jasu, koherencie a spektrálnej presnosti by toto meranie jednoducho nebolo možné.
LFW: Čo zahŕňal váš experiment?
Nagler: Zahriali sme ultratelovú zlatú fóliu - iba 50 - nm hrubé - s použitím frekvencie {{}} zdvojnásobené ti: sapphire laser, ktorý nám dáva 400 {{}} nm vlny svetla s pulzmi okolo 45 fs. Napriek extrémnym teplotám, ktoré sme dosiahli, samotný laser nebol podľa štandardov s vysokou energetickou hustotou obzvlášť silný. Použili sme iba asi ~ 0,3 mJ na pulz. Znamená to, že časť experimentu, vytvorenie prehriateho zlata, by sa v zásade mohlo reprodukovať mnohými laserovými laboratóriami po celom svete.
Biela:Ale meranie teploty toho, čo vytvárate? Je to ťažká časť. Na tento účel potrebujete ultrabright, úzke - šírku pásma, femtosekund x - lúče, ktoré môžu poskytnúť iba zariadenia ako LCLS a niekoľko ďalších XFEL. To je to, čo umožnil tento experiment.
LFW: Aké sú kľúčové cesty tohto experimentu? Nejaké prekvapenia?
Nagler:Pre nás a naše pole je hlavným jedlom, že teraz máme priamy, model - na meranie teploty iónov v extrémnych stavoch hmoty -, ktorý bol dlhou {- stojacimi výzvami vo vysokých - Energy - hustota. Táto technika otvára dvere do porovnávacích rovníc štátnych rovníc, overuje hydrodynamické simulácie a skúma hmotu v režimoch, ktoré boli predtým experimentálne mimo dosahu.
Biela:Skutočné prekvapenie prišlo, keď sme videli, ako ďaleko sme mohli tlačiť pevnú látku skôr, ako sa vzdalo poruchy. Očakávali sme, že zlato sa roztopí, keď prekročilo určitý prah -, ale nie. Krištáľová mriežka držaná pohromade pri teplotách viac ako 14x teploty topenia - Oveľa nad rámec toho, čo by predpovedala štandardná termodynamika. Toto bolo „aha!“ Moment: Nielenže by sme mohli vziať teplotu, ale samotný systém vzdoroval očakávaniam. Pritom sme sa ocitli nielen riešením diagnostickej výzvy, ale aj odhaľovaním novej fyziky, posunutím limitov prehriatia a revíziou predpokladov o tom, kedy a ako sa tuhé látky topí v extrémnych podmienkach.
LFW: Aké to bolo vyvrátiť desaťročia - stará teória?
Biela:Bola to zábavná a fascinujúca hlboký ponor do fyziky prehriatia, skúmanie toho, ako ďaleko je možné tlačiť tuhé látky skôr, ako sa rozpadne, a uvedomiť si, že aj dobre - zavedené koncepty potrebujú starostlivé prehodnotenie, keď sa aplikujú na ultrarýchle, nequalizované režimy.
Nagler:Nebolo to ani tak o tom, že vyvrátil desaťročia - starú teóriu, pretože ukazuje, že teória sa nemusí nevyhnutne uplatňovať na FAR - z - rovnovážnych superhriemerných stavov. Pôvodný rámec predpokladá systém v tepelnej rovnováhe, pomaly sa blíži k bodu topenia, ani ten, ktorý by sa vytrhol femtosekundovým laserovým impulzom. Namiesto prevrátenia existujúcej teórie to bolo skôr ako vystúpiť mimo jej domény.
LFW: Čo znamená tento objav pre prehriatie?
Nagler:Ukazuje, že v týchto nequalivovaných stavoch sa môže správať úplne inak, ako by ste očakávali pre viac spustenia - - - Mill blízko - rovnovážnych systémov a bolo by zaujímavé preskúmať tieto rozdiely v podrobnejších detailoch.
Biela:V konečnom dôsledku znovu otvorí otázku, či existuje skutočný limit pre prehriatie v intenzívne poháňaných, ďaleko - z - rovnovážnych systémov alebo či môžu pevné látky pretrvávať ďaleko za hranicami toho, čo predpovedá tradičná termodynamika.
