Tim istraživača koji su vodili Bob Nagler i Thomas White nedavno je pokazao novu metodu za mjerenje temperature atoma unutar tople guste materije - izravno mjerenjem brzine atoma.
Svi materijali posjeduju određene točke topljenja i ključanja, ali mogu se pregrijati iznad njih sve dok ne dosegnu entropiju "katastrofe" razine naglog topljenja i ključanja.
Kad je tim pregrijao čvrsto zlato daleko iznad svog teorijskog ograničenja na 19.000 kelvina, preživio je katastrofu entropije - što sugerira da možda neće biti gornja granica za preplavljene materijale ako se dovoljno brzo zagrijavaju.
Svijet laserskog fokusa: Čija je ideja bila pregrijavanje zlata s LCLS -om? Što je nadahnulo?
Bob Nagler: Kad smo krenuli u eksperiment, naš je cilj bio razviti novu metodu za mjerenje temperature tople guste materije. Ova je stvar gusta kao čvrsta, ali zagrijana na desetke ili stotine tisuća stupnjeva Kelvina. Nalazite ga u divovskim planetim jezgrama i zvjezdanim interijerima, ali kad ga ponovno stvorimo u laboratoriju, zapravo je mjerenje njegove temperature sramotno teško.
Pokrenuli smo ovaj projekt kako bismo riješili ovaj izazov, koristeći najsjajniji svjetski X -, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Svjetlost (LCLS), za pomoć.
Thomas White:Volio bih reći da je to bio usamljeni - vučji bljesak sjaja, ali, istina, ideja je izašla iz dugih - stalnih frustracija na cijelom polju. Znali smo da nam je potrebna bolja dijagnostika, a zlato je napravilo testni materijal za ideju: Rasprši se x - dobro i može se lako pretvoriti u tanke folije potrebne za ovu tehniku. Naš tim na Sveučilištu Nevada, Reno, SLAC i drugi partneri očekivali su da će se zlato zagrijati pod zračenjem, ali ono što se istaknulo je koliko je kruta tvar ostala tijekom održavanja svoje kristalne strukture. Čak i na tim ekstremnim temperaturama, zlatna rešetka trajala je izvan očekivane granice za strukturni red. Ovo je opažanje promijenilo fokus našeg projekta. Ono što je započelo kao praktični napor za izgradnju boljeg termometra evoluiralo je u dublju istragu pregrijavanja i temeljnih granica čvrstih - stanja u ekstremnim uvjetima.
Lfw: Zašto LCLS?
Bijela:Metoda koju smo razvili oslanja se na otkrivanje sitnih promjena u načinu na koji x - zrake raspršuju atome u materijalu. Konkretno, mali energetski pomaci otkrivaju temperaturu iona. Zahtijeva ne samo neobično svijetli izvor x -, već i izuzetno uska širina pojasa. Besplatni - elektronski laseri poput LCLS -a i nekoliko drugih poput Europskog XFEL -a, jedinstveno su sposobni pružiti ovu kombinaciju. Oni su milijardu puta svjetliji od bilo kojeg sinkrotrona, što je neophodno jer je neelastično raspršivanje nevjerojatno slabo - po narudžbi od samo nekoliko fotona po snimanju.
Nagib:LCLS je u osnovi kilometar - dugačak x {- Ray laser koji, za ovaj eksperiment, također djeluje kao kilometar - dugi termometar. Bez ove kombinacije svjetline, koherencije i spektralne preciznosti, ovo mjerenje jednostavno ne bi bilo moguće.
Lfw: Što je uključivao vaš eksperiment?
Nagib: Zaglužili smo ultra tanku zlatnu foliju - samo 50 - nm debljine - koristeći frekvenciju - udvostručio je: safirski laser, dajući nam 400 - nm valata od 45 fs. Unatoč ekstremnim temperaturama koje smo postigli, sam laser nije bio posebno snažan po standardima visoke energije. Koristili smo samo oko ~ 0,3 MJ po pulsu. To znači da bi grijaći dio eksperimenta, stvaranje pregrijanog zlata, u principu mogao reproducirati mnogi laserski laboratoriji širom svijeta.
Bijela:Ali mjerenje temperature onoga što stvarate? To je težak dio. Za to vam je potrebna ultrabright, uska - propusnost, femtosecond x - zrake koje mogu pružiti samo objekti poput LCLS -a i nekoliko drugih XFEL -ova. To je ono što je omogućilo ovaj eksperiment.
Lfw: Koji su ključni potezi ovog eksperimenta? Ima li iznenađenja?
Nagib:Za nas i naše polje, glavni odlazak je da sada imamo izravnu, model - besplatnu metodu za mjerenje ionskih temperatura u ekstremnim stanjima materije - koji je bio dugačak- stalni izazov u visokoj - energiji {{4}. Tehnika otvara vrata za usporedbu jednadžbi države, potvrđujući hidrodinamičke simulacije i istraživanje materije unutar režima koji su prethodno bili eksperimentalno izvan dosega.
Bijela:Pravo iznenađenje došlo je kad smo vidjeli koliko smo daleko mogli gurnuti čvrstu prije nego što se prepusti poremećaju. Očekivali smo da će se zlato rastopiti nakon što je prešao određeni prag -, ali nije. Kristalna rešetka držala se zajedno na temperaturama više od 14x talište -, daleko iznad onoga što bi predviđala standardna termodinamika. Ovo je bio 'aha!' Trenutak: Ne samo da bismo mogli uzeti temperaturu, već je sam sustav prkosio očekivanjima. Pri tome smo našli ne samo rješavanje dijagnostičkog izazova, već i otkrivanje nove fizike, gurajući granice pregrijavanja i revidirati pretpostavke o tome kada se i kako se krute tvari u ekstremnim uvjetima.
Lfw: Što se osjećalo opovrgnuti desetljećima - Staru teoriju?
Bijela:Bilo je to zabavno i fascinantan dubok zaron u fiziku pregrijavanja, istražujući koliko se čvrsta čvrsta može gurnuti prije nego što se pokvari i shvatimo da čak i dobro - utvrđenim konceptima treba pažljivo preispitivanje kada se primjenjuju na ultrazni, neberibilni režimi.
Nagib:Nije bilo toliko o opovrgavanju desetljeća - stare teorije jer je pokazalo da se teorija ne odnosi nužno na daleko - iz - ravnotežnih stanja. Izvorni okvir pretpostavlja sustav u toplinskoj ravnoteži, koji se polako približava talištu, a nijedan je projurio femtosekundni laserski impuls. Umjesto poništavanja postojeće teorije, to je više bilo poput koraka izvan svoje domene.
Lfw: Što ovo otkriće znači za pregrijavanje?
Nagib:To pokazuje da se pregrijana materija u tim neravnotežnim stanjima može ponašati sasvim drugačije nego što biste očekivali za više pokretanja - od - - mlina u blizini - u ravnotežnim sustavima i bilo bi zanimljivo istražiti ove razlike detaljnije.
Bijela:U konačnici, ponovno otvara pitanje postoji li istinska granica pregrijavanja u intenzivno pokretanom, daleko - iz - ravnotežnih sustava ili mogu li krute tvari i dalje postojati daleko od onoga što predviđa tradicionalna termodinamika.
