Skupina raziskovalcev, ki sta jo vodila Bob Nagler in Thomas White, je pred kratkim pokazala novo metodo za merjenje temperature atomov znotraj tople goste snovi - z neposrednim merjenjem hitrosti atomov.
Vsi materiali imajo specifične točke taljenja in vrelišča, vendar jih je mogoče pregreti nad njimi, dokler ne dosežejo entropije "katastrofe" ravni nenadnega taljenja in vrenja.
Ko je ekipa pregrela trdno zlato, ki je presegala svojo teoretično mejo na 19.000 Kelvinov, je preživela entropijsko katastrofo -, kar kaže na to, da morda ni zgornja meja za pregreto materiale, če se dovolj hitro segrejejo.
Svet laserskega fokusa: Čigava je bila ideja za pregrevanje zlata z LCLS? Kaj ga je navdihnilo?
Bob Nagler: Ko smo se odločili za poskus, je bil naš cilj razviti novo metodo za merjenje temperature tople goste snovi. Ta zadeva je tako gosta kot trdna, a segreta na deset ali sto tisoč stopinj Kelvina. Najdete ga v velikanskih planetnih jedrih in zvezdnih notranjosti, ko pa ga poustvarimo v laboratoriju, je dejansko merjenje temperature zloglasno težko.
Ta projekt smo sprožili za reševanje tega izziva z uporabo najsvetlejšega svetovnega X - vira žarkov, SLAC National Accelerator's Linac skladnega svetlobnega vira (LCLS).
Thomas White:Rad bi rekel, da je bila osamljena - volk bliskavice sijaja, toda v resnici je ideja izšla iz dolgega -, ki stojijo frustracije po polju. Vedeli smo, da potrebujemo boljšo diagnostiko in zlato je naredil testni material za idejo: to razprši x - žarke dobro in ga je mogoče enostavno narediti v tanke folije, potrebne za to tehniko. Naša ekipa na Univerzi v Nevadi, Reno, SLAC in drugih partnerjih je pričakovala, da se bo zlato segrelo pod obsevanjem, toda tisto, kar je izstopalo, je bilo, kako vroča je trdna snov, hkrati pa ohranjala svojo kristalno strukturo. Tudi pri teh ekstremnih temperaturah je zlata rešetka ostala zunaj pričakovane meje strukturnega reda. To opazovanje je preusmerilo osredotočenost našega projekta. Kar se je začelo kot praktično prizadevanje za izgradnjo boljšega termometra, se je razvilo v globljo preiskavo pregrevanja in temeljnih meja trdnih - državnih zadev v ekstremnih pogojih.
LFW: Zakaj LCLS?
Bela:Metoda, ki smo jo razvili, se opira na zaznavanje drobnih sprememb v tem, kako x - žarki raztresejo atome v materialu. Konkretno, majhni premiki energije razkrivajo temperaturo ionov. Zahteva ne le izjemno svetel vir X - žarkov, ampak tudi izjemno ozko pasovno širino. Brezplačni - elektronski laserji, kot so LCLS, in nekaj drugih, kot je evropski XFEL, so edinstveno sposobni dostaviti to kombinacijo. Do milijarde krat svetlejši od katerega koli sinhrotrona, kar je bistvenega pomena, ker je neelastično razprševanje neverjetno šibko - po vrstnem redu le nekaj fotonov na posnetek.
Nagler:LCLS je v bistvu kilometer - dolg x - ray laser, ki za ta poskus deluje tudi kot kilometer - dolg termometer. Brez te kombinacije svetlosti, skladnosti in spektralne natančnosti ta meritev preprosto ne bi bila mogoča.
LFW: Kaj je vključeval vaš eksperiment?
Nagler: We heated an ultrathin gold foil-just 50-nm thick-using a frequency-doubled Ti:sapphire laser, giving us 400-nm wavelength light with pulse durations around 45 fs. Kljub ekstremnim temperaturam, ki smo jih dosegli, sam laser ni bil posebej močan po standardih visoke energije. Uporabili smo le približno ~ 0,3 mJ na impulz. To pomeni, da bi lahko ogrevalni del poskusa, ustvarjanje pregretega zlata, načeloma reproducirati številni laserski laboratoriji po vsem svetu.
Bela:Toda merjenje temperature tega, kar ustvarite? To je težak del. Za to potrebujete ultrabright, ozko - pasovna širina, femtosekund x - žarki, ki jih lahko zagotavljajo samo objekti, kot so LCL in še nekaj drugih XFEL -ov. To je tisto, kar je omogočilo ta poskus.
LFW: Kateri so ključni odvzeti tega poskusa? Kakšna presenečenja?
Nagler:Za nas in naše polje je glavni odvzem, da imamo zdaj neposredno, model - brezplačno metodo za merjenje ionskih temperatur v ekstremnih stanjih snovi -, ki je bila dolgo - izziv v visoki - energija - desenosti. Tehnika odpira vrata za primerjalne enačbe držav, potrjevanje hidrodinamičnih simulacij in raziskovanje snovi znotraj režimov, ki so prej eksperimentalno niso dosegli.
Bela:Pravo presenečenje je prišlo, ko smo videli, kako daleč bi lahko potisnili trdno, preden se je prepustil motnji. Pričakovali smo, da se bo zlato topilo, ko je prečkalo določen prag -, vendar ni. Kristalna rešetka, ki je skupaj pri temperaturah več kot 14x tališča -, kar presega tisto, kar bi napovedala standardna termodinamika. To je bil 'aha!' Trenutek: Ne samo, da bi lahko vzeli temperaturo, ampak je sistem sam kljuboval pričakovanjem. Pri tem smo se znašli ne samo, da bi rešili diagnostični izziv, ampak tudi razkrili novo fiziko, potisnili meje pregrevanja in revidirali predpostavke o tem, kdaj in kako se trdne snovi topijo v ekstremnih pogojih.
LFW: Kaj se je zdelo, da bi ovrgli desetletja - stara teorija?
Bela:Bilo je zabavno in očarljivo globoko potop v fiziko pregrevanja, raziskovanje, kako daleč je mogoče potisniti trdno, preden se pokvari, in zavedajoč se, da je treba tudi - uveljavljene koncepte skrbno premisliti, ko se uporabljajo na ultrafast, nepravilnih režimih.
Nagler:Ni šlo toliko za ovrstitev desetletij - stare teorije, saj je pokazala, da teorija ne velja nujno za FAR - iz - uravnotežene stanja. Prvotni okvir prevzame sistem v toplotnem ravnovesju, ki se počasi približuje talilni točki, ki ga ni razstrelil femtosekundnega laserskega impulza. Namesto da bi prevrnili obstoječo teorijo, je bilo to bolj podobno koraku zunaj njene domene.
LFW: Kaj to odkritje pomeni za pregrevanje?
Nagler:Pokaže, da se lahko v teh neenakomernih stanjih obnaša precej drugače, kot bi pričakovali za več teka - of - mlin - v bližini - ravnotežne sisteme in bi bilo zanimivo raziskati te razlike v bolj podrobnosti.
Bela:Konec koncev se ponovno odpira vprašanje, ali obstaja resnična meja, da se pregreje v intenzivno usmerjenem, daleč - iz - ravnotežnih sistemov ali ali trdne snovi lahko obstajajo precej zunaj tistega, kar napoveduje tradicionalna termodinamika.
