Bob Nagler és Thomas White vezette kutatócsoport a közelmúltban új módszert mutatott be az atomok hőmérsékletének mérésére a meleg sűrű anyagon belüli - -ben az atomok sebességének közvetlen mérésével.
Az anyagok mindegyike speciális olvadási és forráspontokkal rendelkezik, de túlmelegedhetők fölöttük, amíg el nem érik a hirtelen olvadás és forrás entrópia "katasztrófa" szintjét.
Amikor a csapat a szilárd aranyat túlságosan meghaladta a 19 000 kelvin elméleti határán túl, túlélte az entrópia katasztrófát -, amely azt sugallja, hogy nem lehet a túlhevített anyagok felső határát, ha elég gyorsan melegítik őket.
Lézeres fókuszvilág: Kinek az ötlete volt, hogy az aranyat túlmelegedje az LCL -ekkel? Mi inspirálta?
Bob Nagler: Amikor elhatároztuk a kísérlet elvégzését, a célunk egy új módszer kidolgozása volt a meleg sűrű anyag hőmérsékletének mérésére. Ez az ügy ugyanolyan sűrű, mint egy szilárd, de tízezer vagy százezer fokos Kelvin. Az óriási bolygómagokban és a csillagok belső terében találja meg, de amikor a laboratóriumban újjáépítjük, a hőmérséklet mérése hírhedten nehéz.
Elindítottuk ezt a projektet, hogy megválaszoljuk ezt a kihívást, a világ legfényesebb X - Ray Source, a SLAC Nemzeti Gyorsító Linac Coherent Fight Source (LCLS) segítségével.
Thomas White:Szeretném mondani, hogy ez egy magányos - Farkas Flash of Brilliance, de valójában az ötlet a hosszú - -ból állt, hogy a frusztrációk a terepen álljanak. Tudtuk, hogy szükségünk van egy jobb diagnosztikára, és az arany elkészítette az ötletvizsgálat anyagát: az X- sugarait jól szétszórja, és könnyen elkészíthető az ehhez a technikához szükséges vékony fóliákká. Csapatunk a Nevada Egyetemen, a Reno -ban, a SLAC -ban és más partnerekben azt várták, hogy az arany besugárzás alatt felmelegszik, de kiemelkedett az, hogy a szilárd anyag mennyire meleg maradt, miközben megőrizte a kristályos szerkezetét. Az aranyrács még ezeken a szélsőséges hőmérsékleteken is fennmaradt a strukturális sorrend várható határán túl. Ez a megfigyelés megváltoztatta projektünk fókuszát. Ami a jobb hőmérő felépítésére szolgáló gyakorlati erőfeszítésként kezdődött, a túlhevítés mélyebb vizsgálatává és a szilárd - állami anyag alapvető határainak szélsőséges körülmények között fejlődött ki.
LFW: Miért LCLS?
Fehér:Az általunk kifejlesztett módszer az apró változások kimutatására támaszkodik abban, hogy az x - sugarai hogyan szétszórják az atomokat egy anyagban. Pontosabban, a kis energiaváltások feltárják az ionok hőmérsékletét. Nemcsak az x - sugarai rendkívül fényes forráshoz, hanem rendkívül keskeny sávszélességhez is igényel. Ingyenes - elektron lézerek, mint például az LCL -ek, és néhány más, például az Európai Xfel, egyedülállóan képesek ezt a kombinációt átadni. Milliárdszor világosabbak, mint bármely szinkrotron, ami elengedhetetlen, mivel az elasztikus szórás hihetetlenül gyenge -, csak néhány fotononkénti sorrendben.
Nagler:Az LCLS alapvetően egy kilométer - hosszú x - Ray lézer, amely e kísérlethez szintén kilométer - hosszú hőmérőként működik. A fényerő, a koherencia és a spektrális pontosság e kombinációja nélkül ez a mérés egyszerűen nem lenne lehetséges.
LFW: Mit jelentett a kísérlete?
Nagler: Fűtöttünk egy ultravékony aranyfóliát - Csak 50 - nm vastag - frekvenciával - duplázott Ti: Sapphire lézer segítségével, 400 - nm hullámhosszú fényvilágítással 45 FS körül. A szélsőséges hőmérsékletek ellenére, amelyet elértünk, maga a lézer nem volt különösebben erős a nagy energiájú sűrűségű szabványok szerint. Csak kb. ~ 0,3 MJ -t használtunk impulzusonként. Ez azt jelenti, hogy a kísérlet fűtési részét, a túlhevített arany létrehozását elvileg sok lézer laboratóriumban reprodukálhatják szerte a világon.
Fehér:De megméri a létrehozott hőmérsékletét? Ez a nehéz rész. Ehhez szükség van az UltraBright, keskeny - sávszélességre, femtosecond x - sugarakra, amelyek csak olyan létesítmények, mint például az LCLS és néhány más Xfel. Ez tette lehetővé ezt a kísérletet.
LFW: Melyek a kísérlet legfontosabb elvihetősége? Van valami meglepetés?
Nagler:Számunkra és a mi területünkre a legfontosabb elvitel az, hogy most van egy közvetlen, - modellünk az ion hőmérsékletének mérésére az anyag szélsőséges állapotaiban -, amely hosszú - álló kihívás magas - energia - sűrűségfizika. A technika megnyitja az ajtót az állami egyenletek összehasonlítási egyenleteinek, a hidrodinamikai szimulációk validálásának és az anyagok feltárásának, amelyek korábban kísérletileg nem voltak elérhetők.
Fehér:Az igazi meglepetés akkor érkezett, amikor láttuk, milyen messzire tudunk tolni egy szilárd anyagot, mielőtt beadta volna a rendellenességet. Arra számítottuk, hogy az arany megolvad, mihelyt átlépte egy bizonyos - küszöböt, de nem. A kristályrács együttesen tartott hőmérsékleten több mint 14x A - olvadási pont jóval meghaladja a standard termodinamika előrejelzését. Ez volt az 'aha!' Momenty: Nem csak a hőmérsékletet tudnánk megtenni, hanem a rendszert is megtévesztettük. Ennek során nemcsak a diagnosztikai kihívás megoldását találtuk, hanem az új fizika feltárását, a túlheválás korlátait is, és felülvizsgáljuk azt a feltételezést, hogy mikor és hogyan olvad a szilárd anyagok szélsőséges körülmények között.
LFW: Milyen érzés volt egy évtizedek megcáfolását - régi elmélet?
Fehér:Szórakoztató és lenyűgöző mélyen belemerült a túlhevítés fizikájába, feltárva, hogy a szilárd szilárd anyag mennyire el lehet tolni, mielőtt lebomlik, és felismerve, hogy még jól - A megállapított fogalmak gondos átgondolását kell átgondolni, amikor az ultragyors, nem négyzet alakú rendszerekre alkalmazzák.
Nagler:Nem annyira nem volt, hogy egy évtizedek megcáfoljanak a - régi elméletet, mivel azt mutatta, hogy az elmélet nem feltétlenül vonatkozik a - -re a - egyensúlyi túlheves állapotokból. Az eredeti keret egy rendszert feltételez a termikus egyensúlyban, lassan megközelítve az olvadáspontot, és nem egy femtosekundás lézerimpulzus által robbant fel. A meglévő elmélet megdöntése helyett ez inkább olyan volt, mint a tartományán kívül.
LFW: Mit jelent ez a felfedezés a túlhevítéshez?
Nagler:Ez azt mutatja, hogy a túlhevített anyag ezekben a nem egyensúlyi állapotokban egészen másképp viselkedhet, mint amire számíthatna a - - - malom - egyensúlyi rendszerek közelében.
Fehér:Végül újból megnyitja a kérdést, hogy van -e valódi korlátozás az intenzíven hajtott, messze - -} egyensúlyi rendszerekből, vagy a szilárd anyagok jóval meghaladhatják -e azt, amit a hagyományos termodinamika előre jelez.
