Pētnieku komanda, kuru vadīja Bobs Naglers un Tomass Vaits, nesen parādīja jaunu metodi atomu temperatūras mērīšanai siltā blīvā vielā -, tieši izmērot atomu ātrumu.
Visiem materiāliem ir specifiski kušanas un viršanas punkti, bet tos var pārkarsēt virs tiem, līdz tie sasniedz pēkšņas kausēšanas un vārīšanas entropijas "katastrofas" līmeni.
Kad komanda pārkarsēja cieto zeltu, kas tālu pārsniedz tā teorētisko robežu līdz 19 000 kelviniem, tā izdzīvoja entropijas katastrofu -, kas liek domāt, ka pārkarsētiem materiāliem var nebūt augšējā robeža, ja tie ir pietiekami ātri uzkarsēti.
Lāzera fokusa pasaule: Kura ideja bija pārkarsēt zeltu ar LCL? Kas to iedvesmoja?
Bobs Naglers: Kad mēs devāmies veikt eksperimentu, mūsu mērķis bija izstrādāt jaunu metodi siltu blīvas vielas temperatūras mērīšanai. Šis jautājums ir tikpat blīvs kā ciets, bet karsēts līdz desmitiem vai simtiem tūkstošu grādu Kelvin. Jūs to atrodat milzu planētas kodolos un zvaigžņu interjerā, bet, kad mēs to atjaunojam laboratorijā, tā temperatūra faktiski ir draņķīgi grūti.
Mēs uzsācām šo projektu, lai risinātu šo izaicinājumu, izmantojot pasaules spilgtāko X - staru avotu, SLAC Nacionālā akseleratora Linac koherento gaismas avotu (LCLS), lai palīdzētu.
Tomass Vaits:Es labprāt teiktu, ka tas bija vientuļš - Vilka zibspuldze no spožuma, bet patiesībā ideja iznāca no ilgstošas -, kas ir neapmierinātība visā laukā. Mēs zinājām, ka mums ir vajadzīga labāka diagnostika, un zelts padarīja idejas testa materiālu: tas labi izkliedē x - starus, un to var viegli izgatavot plānās folijās, kas vajadzīgas šai paņēmienam. Mūsu komanda Nevadas universitātē, Reno, SLAC un citi partneri gaidīja, ka zelts uzkarsēs apstarošanā, taču tas, kas izcēlās, bija tas, cik karsts bija cietais, saglabājot savu kristālisko struktūru. Pat šajās galējās temperatūrā zelta režģis saglabājās ārpus paredzamās strukturālās kārtības robežas. Šis novērojums mainīja mūsu projekta uzmanību. Tas, kas sākās kā praktisks darbs, lai izveidotu labāku termometru, attīstījās par dziļāku pārkaršanas un cieto - stāvokļa lietu pamatakmeni ekstremālos apstākļos.
LFW: Kāpēc LCL?
Balts:Izstrādātā metode balstās uz niecīgu izmaiņu noteikšanu, kā X - stari izkliedē atomus materiālā. Konkrēti, nelielas enerģijas maiņas atklāj jonu temperatūru. Tas prasa ne tikai ārkārtīgi spilgtu X - staru avotu, bet arī ārkārtīgi šaurs joslas platums. Bezmaksas - elektronu lāzeri, piemēram, LCL, un daži citi, piemēram, Eiropas XFEL, ir unikāli spējīgi piegādāt šo kombināciju. Tie ir līdz miljardu reižu gaišāku nekā jebkurš sinhrotrons, kas ir būtisks, jo neelastīgā izkliede ir neticami vāja - tikai pēc dažiem fotoniem uz vienu kadru.
Naglers:LCLS būtībā ir kilometrs - Long X - staru lāzers, kas šim eksperimentam darbojas arī kā kilometrs - garais termometrs. Bez šīs spilgtuma, saskaņotības un spektrālās precizitātes kombinācijas šis mērījums vienkārši nebūtu iespējams.
LFW: Ko ietvēra jūsu eksperiments?
Naglers: Mēs sildījām ultrathin zelta foliju - tikai 50 - nm biezs -, izmantojot frekvenci - divkāršotu ti: safīra lāzeru, dodot mums 400- nm viļņa garuma gaismu ar pulsa garumu ap 45 fs. Neskatoties uz ārkārtīgo temperatūru, ko mēs sasniedzām, pats lāzers nebija īpaši spēcīgs pēc augstas enerģijas blīvuma standartiem. Mēs izmantojām tikai apmēram ~ 0,3 MJ uz pulsu. Tas nozīmē, ka eksperimenta sildīšanas daļa, pārkarsēta zelta radīšana, principā var reproducēt daudzas lāzera laboratorijas visā pasaulē.
Balts:Bet mērot jūsu radītās temperatūras temperatūru? Tā ir smagā daļa. Šim nolūkam jums ir nepieciešams ultrabright, šaurs - joslas platums, femtosecond x - stari, ko var nodrošināt tikai tādas iespējas kā LCL un daži citi XFELS. Tas padarīja šo eksperimentu iespējamu.
LFW: Kādi ir šī eksperimenta galvenie paņēmieni? Vai ir kādi pārsteigumi?
Naglers:Mums un mūsu laukam galvenā līdzņemšana ir tā, ka mums tagad ir tieša, modeļa - bezmaksas metode jonu temperatūru mērīšanai matērijas ekstrēmos stāvokļos {-, kas ir bijusi ilga - pastāvīga izaicinājums lielā - enerģija -} blīvuma fizikā. Šī paņēmiens paver durvis uz stāvokļa vienādojumu etalonuzdevumu, apstiprinot hidrodinamiskās simulācijas un izpētot lietu režīmos, kas iepriekš nebija pieejami eksperimentāli.
Balts:Patiesais pārsteigums radās, kad mēs redzējām, cik tālu mēs varam virzīt stabilu, pirms tas padevās traucējumiem. Mēs gaidījām, ka zelts izkausēs, kad tas šķērsos noteiktu slieksni -, bet tā nebija. Kristāla režģis, kas tiek turēts kopā temperatūrā, vairāk nekā 14x, kušanas temperatūra - krietni pārsniedz to, ko paredzētu standarta termodinamika. Tas bija 'aha!' Moments: mēs ne tikai varēja ņemt temperatūru, bet arī pati sistēma nepakļāvās cerībām. To darot, mēs atradām ne tikai diagnostikas izaicinājuma risināšanu, bet arī atklājot jaunu fiziku, virzot pārkaršanas robežas un pārskatot pieņēmumus par to, kad un kā cietās vielas izkūst ekstremālos apstākļos.
LFW: Kā jutās, lai atspēkotu gadu desmitus - veco teoriju?
Balts:Tas bija jautri un aizraujoši dziļi ienirstot pārkaršanas fizikā, izpētot, cik tālu var nospiest cietu, pirms tas sadalās, un saprotot, ka pat labi - Izveidotie jēdzieni ir rūpīgi jāpārdomā, ja to piemēro ultraklīgajiem, nekilibrīta režīmiem.
Naglers:Tas nebija tik daudz par gadu desmitu atspēkošanu - Vecā teorija, jo tā parādīja, ka teorija nav obligāti piemērota tālu - no - līdzsvara pārkarsētiem stāvokļiem. Sākotnējā ietvarā tiek pieņemta termiskā līdzsvara sistēma, lēnām tuvojoties kušanas temperatūrai, nevis vienu, ko uzspridzina femtosekundes lāzera impulss. Tā vietā, lai apgāztu esošo teoriju, tas vairāk atgādināja izkāpšanu ārpus tā domēna.
LFW: Ko šis atklājums nozīmē pārkaršanai?
Naglers:Tas parāda, ka pārkarsēta matērija šajos bezkilibrija stāvokļos var izturēties pavisam savādāk, nekā jūs varētu gaidīt, lai vairāk palaistu - - - dzirnavas netālu no - līdzsvara sistēmām, un būtu interesanti izpētīt šīs atšķirības sīkāk.
Balts:Galu galā tas atkārtoti atver jautājumu par to, vai intensīvi virzītā, - no - līdzsvara sistēmām ir patiess ierobežojums pārkarsēšanai, tālu -, vai arī cietās vielas var saglabāt vairāk nekā tradicionālā termodinamika prognozē.
