Команда дослідників на чолі з Боб Наглер та Томас Уайт нещодавно продемонструвала новий метод вимірювання температури атомів у теплої щільної речовини -, безпосередньо вимірюючи швидкість атомів.
Усі матеріали мають специфічні точки плавлення та кипіння, але можуть бути перегріті над ними, поки вони не досягнуть ентропії "катастрофи" раптового плавлення та кипіння.
Коли команда перегріла тверде золото далеко за межі своєї теоретичної межі до 19 000 кельвінів, вона пережила катастрофу ентропії -, що говорить про те, що може бути не верхня межа для перегрітованих матеріалів, якщо вони нагріваються досить швидко.
Лазерний фокус світу: Чия ідея була перегріванням золота з LCLS? Що надихнуло його?
Боб Наглер: Коли ми вирішили зробити експеримент, наша мета полягала в розробці нового методу для вимірювання температури теплої щільної речовини. Ця справа така ж щільна, як тверда, але нагріта до десятків або сотень тисяч градусів Кельвіна. Ви знаходите його в гігантських ядрах планет та зоряних інтер'єрах, але коли ми відтворюємо його в лабораторії, фактично вимірювати його температуру ганебно важко.
Ми запустили цей проект для вирішення цього виклику, використовуючи найяскравіший у світі x - джерело променів, когерентне джерело світла Linac National Accelerator (LCLS).
Томас Уайт:Я хотів би сказати, що це був самотній - Вовк спалах блиску, але, по правді, ідея вийшла з довгих -, що стоїть розчарування по всьому полю. Ми знали, що нам потрібна краща діагностика, і золото зробило тестовий матеріал ідеї: він добре розсіює x - промені і може бути легко перетворена на тонкі фольги, необхідні для цієї техніки. Наша команда з університету Невади, Рено, Слака та інших партнерів очікувала, що золото нагріється під опроміненням, але те, що виділялося, було таким гарячим твердим, зберігаючи свою кристалічну структуру. Навіть при цих екстремальних температурах золота решітка зберігалася за межі очікуваної межі для структурного порядку. Це спостереження змістило фокус нашого проекту. Те, що почалося як практичне зусилля щодо створення кращого термометра, перетворилося на глибше дослідження перегріву та основних меж твердих - державних речовин в екстремальних умовах.
LFW: Чому LCLS?
Білий:Метод, який ми розробили, залежить від виявлення крихітних змін у тому, як x - промені розсіюють атоми в матеріалі. Зокрема, невеликі зміни енергії виявляють температуру іонів. Він вимагає не лише надзвичайно яскравого джерела x - променів, але й надзвичайно вузької пропускної здатності. Безкоштовні - Електронні лазери, такі як LCLS, та кілька інших, таких як європейський Xfel, унікально здатні забезпечити цю комбінацію. Вони до мільярда разів яскравіші, ніж будь -який синхротрон, що є важливим, оскільки нееластичне розсіювання неймовірно слабке - в порядку всього кілька фотонів за постріл.
Наглер:LCLS - це по суті кілометр - довгий x - ray laser, що для цього експерименту також діє як кілометр - довгий термометр. Без цієї комбінації яскравості, узгодженості та спектральної точності це вимірювання просто не було б можливим.
LFW: Що передбачав ваш експеримент?
Наглер: Ми нагріли ультратонну золоту фольгу - всього 50 - nm товщиною -, використовуючи частоту - подвоєний ti: сапфіровий лазер, даючи нам 400- nm довжини хвилі з пульсовим часом навколо 45 f. Незважаючи на екстремальні температури, які ми досягли, сам лазер не був особливо потужним за стандартами високої енергетичної щільності. Ми використовували лише близько ~ 0,3 МДж на імпульс. Це означає, що нагрівальна частина експерименту, створення перегрітого золота, в принципі, може бути відтворена багатьма лазерними лабораторіями у всьому світі.
Білий:Але вимірювання температури того, що ви створюєте? Це важка частина. Для цього вам потрібні ультрабрайт, вузька пропускна здатність -, фемтосекунд x - промені, які можуть забезпечити лише об'єкти, такі як LCLS та кілька інших Xfels. Саме це зробило можливим цей експеримент.
LFW: Які ключові виходи цього експерименту? Будь -які сюрпризи?
Наглер:Для нас і нашого поля основним виїздом є те, що тепер у нас є прямий, модель - Вільний метод вимірювання температур іонів у крайніх станах речовини -, який був довгим - стоячим викликом у високій фізиці DIS- -. Методика відкриває двері для тестування рівнянь стану, перевірки гідродинамічних моделювання та вивчення речовин у режимах, які раніше були недоступними експериментально.
Білий:Справжній сюрприз прийшов, коли ми побачили, наскільки далеко ми могли підштовхнути тверду, перш ніж він поступився розладом. Ми очікували, що золото розтопить, як тільки воно перетне певний поріг -, але це не було. Кришталева решітка трималася разом при температурі понад 14 разів. Це було "Ага!" Момент: ми не тільки могли прийняти температуру, але й сама система протистояла очікуванням. Роблячи це, ми виявили не лише вирішення діагностичного виклику, але й розкривають нову фізику, підштовхуючи межі перегріву та переглянули припущення про те, коли і як тверді тануть в екстремальних умовах.
LFW: Що відчував, як спростувати десятиліття - стару теорію?
Білий:Це було веселе і захоплююче глибоке занурення у фізику перегріву, вивчаючи, наскільки тверде можна натиснути, перш ніж вона зламається, і усвідомлюючи, що навіть добре - встановлені поняття потребують ретельного переосмислення при застосуванні до ультрашвидких, нерівноважних режимів.
Наглер:Це було не стільки про спростування десятиліть - стару теорію, оскільки вона показувала, що теорія не обов'язково застосовується для далеко - від - рівноважних перегріваних станів. Оригінальна рамка передбачає систему теплової рівноваги, повільно наближаючись до температури плавлення, не підірвана фемтосекундним лазерним імпульсом. Замість того, щоб перекинути існуючу теорію, це було більше схоже на виїзд за межі його домену.
LFW: Що означає це відкриття для перегрівання?
Наглер:Це показує, що перегріта речовина в цих нерівноважних станах може поводитись зовсім інакше, ніж ви очікували для більшого запуску - млин - - млин поблизу - рівноваги, і було б цікаво вивчити ці відмінності більш детально.
Білий:Зрештою, він повторно відкриває питання про те, чи існує справжня межа перегрівання в інтенсивно керованому, далеко - від - систем рівноваги, чи можуть тверді речовини зберегтись далеко за рамки того, що прогнозує традиційна термодинаміка.
