Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Bob Nagler και τον Thomas White πρόσφατα κατέδειξε μια νέα μέθοδο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των ατόμων μέσα σε ζεστή πυκνή ύλη-με άμεση μέτρηση της ταχύτητας των ατόμων.
Τα υλικά έχουν όλα τα συγκεκριμένα σημεία τήξης και βρασμού, αλλά μπορούν να υπερθερμανθούν πάνω από αυτά μέχρι να φτάσουν σε μια εντροπία "καταστροφή" επίπεδο ξαφνικής τήξης και βρασμού.
Όταν η ομάδα υπερθερμάνει το στερεό χρυσό πολύ πέρα από το θεωρητικό του όριο σε 19.000 Kelvins, επέζησε της καταστροφής της εντροπίας-που υποδηλώνει ότι μπορεί να μην υπάρχει ανώτατο όριο για υπερθερμμένα υλικά εάν θερμαίνονται αρκετά γρήγορα.
Κόσμος εστίασης λέιζερ: Ποια ήταν η ιδέα να υπερθερμανθεί το χρυσό με LCLS; Τι το ενέπνευσε;
Μπομπ Νάγκλερ: Όταν ξεκινήσαμε να κάνουμε το πείραμα, ο στόχος μας ήταν να αναπτύξουμε μια νέα μέθοδο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας της ζεστού πυκνού ύλης. Αυτό το θέμα είναι τόσο πυκνό όσο ένα στερεό, αλλά θερμαίνεται σε δεκάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες βαθμούς Kelvin. Το βρίσκετε σε γιγαντιαίες πυρήνες πλανήτη και αστρικούς εσωτερικούς χώρους, αλλά όταν το αναδημιουργούμε στο εργαστήριο, η μέτρηση της θερμοκρασίας του είναι κακώς δύσκολη.
Ξεκινήσαμε αυτό το έργο για να αντιμετωπίσουμε αυτήν την πρόκληση, χρησιμοποιώντας τη φωτεινότερη πηγή ακτίνων Χ στον κόσμο, το Linac Conticent Light Source (LCLS) του SLAC National Accelerator (LCLS).
Thomas White:Θα ήθελα πολύ να πω ότι ήταν ένα λαμπρό φλας λαμπρότητας, αλλά, στην πραγματικότητα, η ιδέα βγήκε από μακροχρόνιες απογοητεύσεις σε όλο τον τομέα. Γνωρίζαμε ότι χρειαζόμασταν μια καλύτερη διαγνωστική και ο χρυσός έκανε το υλικό δοκιμής ιδεών: διασκορπίζει τις ακτίνες Χ καλά και μπορεί εύκολα να γίνει στα λεπτά φύλλα που απαιτούνται για αυτή την τεχνική. Η ομάδα μας στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδας, Reno, SLAC και άλλοι εταίροι περίμενε ότι ο χρυσός θα ζεσταθεί κάτω από την ακτινοβολία, αλλά αυτό που ξεχώρισε ήταν πόσο ζεστό το στερεό παρέμεινε διατηρώντας παράλληλα την κρυσταλλική του δομή. Ακόμη και σε αυτές τις ακραίες θερμοκρασίες, το χρυσό πλέγμα συνέχισε πέρα από το αναμενόμενο όριο για τη δομική τάξη. Αυτή η παρατήρηση μετατόπισε το επίκεντρο του έργου μας. Αυτό που ξεκίνησε ως μια πρακτική προσπάθεια για την οικοδόμηση ενός καλύτερου θερμόμετρου εξελίχθηκε σε μια βαθύτερη διερεύνηση της υπερθέρμανσης και των θεμελιωδών ορίων της ύλης στερεάς κατάστασης υπό ακραίες συνθήκες.
LFW: Γιατί LCLS;
Λευκό:Η μέθοδος που αναπτύξαμε βασίζεται στην ανίχνευση μικροσκοπικών αλλαγών στον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες Χ διασκορπίζουν τα άτομα σε ένα υλικό. Συγκεκριμένα, οι μικρές ενεργειακές μετατοπίσεις αποκαλύπτουν τη θερμοκρασία των ιόντων. Απαιτεί όχι μόνο μια εξαιρετικά φωτεινή πηγή ακτίνων Χ, αλλά και εξαιρετικά στενό εύρος ζώνης. Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων όπως το LCLS, και μερικά άλλα, όπως το ευρωπαϊκό XFEL, είναι μοναδικά σε θέση να παραδώσουν αυτόν τον συνδυασμό. Είναι μέχρι ένα δισεκατομμύριο φορές πιο φωτεινό από οποιοδήποτε synchrotron, το οποίο είναι απαραίτητο επειδή η ανελαστική σκέδαση είναι απίστευτα αδύναμη-τη σειρά μόνο λίγων φωτονίων ανά βολή.
Υπαίθριος:Το LCLS είναι ουσιαστικά ένα λέιζερ ακτίνων Χ μήκους χιλιομέτρων που, για αυτό το πείραμα, λειτουργεί επίσης ως θερμόμετρο μήκους χιλιομέτρων. Χωρίς αυτόν τον συνδυασμό φωτεινότητας, συνοχής και φασματικής ακρίβειας, αυτή η μέτρηση απλά δεν θα ήταν δυνατή.
LFW: Τι αφορούσε το πείραμά σας;
Υπαίθριος: Θερμάσαμε ένα εξαιρετικά χρυσό φύλλο-απλά πάχους 50 nm που χρησιμοποιεί ένα λέιζερ TI: Sapphire, δίνοντάς μας 400 nm φως μήκους κύματος με παλμικές διάρκειες γύρω στα 45 fs. Παρά τις ακραίες θερμοκρασίες που φτάσαμε, το ίδιο το λέιζερ δεν ήταν ιδιαίτερα ισχυρό από τα πρότυπα υψηλής ενέργειας πυκνότητας. Χρησιμοποιήσαμε μόνο περίπου ~ 0,3 mJ ανά παλμό. Σημαίνει ότι το τμήμα θέρμανσης του πειράματος, η δημιουργία υπερθερματισμένου χρυσού, θα μπορούσε κατ 'αρχήν να αναπαραχθεί από πολλά εργαστήρια λέιζερ σε όλο τον κόσμο.
Λευκό:Αλλά μέτρηση της θερμοκρασίας αυτού που δημιουργείτε; Είναι το δύσκολο κομμάτι. Για το λόγο αυτό, χρειάζεστε το UltraBright, το στενό εύρος ζώνης, τις ακτίνες Χ που μπορούν να προσφέρουν μόνο εγκαταστάσεις όπως LCLs και μερικά άλλα XFEL. Είναι αυτό που έκανε αυτό το πείραμα δυνατό.
LFW: Ποιες είναι οι βασικές διαδρομές αυτού του πειράματος; Οποιεσδήποτε εκπλήξεις;
Υπαίθριος:Για εμάς και τον τομέα μας, ο σημαντικότερος παραγωγός είναι ότι έχουμε τώρα μια άμεση μέθοδο χωρίς μοντέλο για τη μέτρηση των θερμοκρασιών ιόντων σε ακραίες καταστάσεις της ύλης-που υπήρξε μια μακροχρόνια πρόκληση στη φυσική πυκνότητας υψηλής ενέργειας. Η τεχνική ανοίγει την πόρτα για να συγκρίνει τις εξισώσεις του κράτους, επικυρώνει τις υδροδυναμικές προσομοιώσεις και διερευνώντας την ύλη μέσα σε καθεστώτα που είχαν προηγουμένως εκτός από την πείλιη προσέγγιση.
Λευκό:Η πραγματική έκπληξη ήρθε όταν είδαμε πόσο μακριά θα μπορούσαμε να προωθήσουμε ένα στερεό πριν δώσει στη διαταραχή. Αναμέναμε ότι ο χρυσός θα λιώσει μόλις περάσει ένα συγκεκριμένο όριο------------------αλλά δεν το έκανε. Το κρυσταλλικό πλέγμα που συγκρατείται σε θερμοκρασίες περισσότερο από 14 φορές το σημείο τήξης-καλά πέρα από ποια τυπική θερμοδυναμική θα πρόβλεπε. Αυτό ήταν το «aha!» Στιγμή: Όχι μόνο θα μπορούσαμε να πάρουμε τη θερμοκρασία, αλλά το ίδιο το σύστημα αψήφησε τις προσδοκίες. Με αυτόν τον τρόπο, βρήκαμε όχι μόνο την επίλυση μιας διαγνωστικής πρόκλησης, αλλά και την αποκάλυψη της νέας φυσικής, πιέζοντας τα όρια της υπερθέρμανσης και επανεξετάζοντας τις υποθέσεις σχετικά με το πότε και πώς τα στερεά λιώνουν κάτω από ακραίες συνθήκες.
LFW: Πώς αισθάνθηκε να διαψεύσει μια δεκαετία παλιά θεωρία;
Λευκό:Ήταν μια διασκεδαστική και συναρπαστική βαθιά κατάδυση στη φυσική της υπερθέρμανσης, διερευνώντας πόσο μακριά μπορεί να ωθηθεί ένα στερεό πριν σπάσει και συνειδητοποιώντας ότι ακόμη και οι καθιερωμένες έννοιες πρέπει να επανεξετάζουν όταν εφαρμόζονται σε εξαιρετικά γρήγορα καθεστώτα μη ισορροπίας.
Υπαίθριος:Δεν ήταν τόσο πολύ για να διαψεύσουμε μια θεωρία ηλικίας δεκαετιών, καθώς έδειχνε ότι η θεωρία δεν ισχύει απαραιτήτως για τις υπερθερματισμένες καταστάσεις από την ισορροπία. Το αρχικό πλαίσιο αναλαμβάνει ένα σύστημα σε θερμική ισορροπία, πλησιάζοντας αργά το σημείο τήξης, που δεν εκτοξεύεται από έναν παλμό λέιζερ femtosecond. Αντί να ανατρέψει την υπάρχουσα θεωρία, αυτό ήταν περισσότερο σαν να βγαίνεις έξω από τον τομέα της.
LFW: Τι σημαίνει αυτή η ανακάλυψη για υπερθέρμανση;
Υπαίθριος:Δείχνει ότι η υπερθερμασμένη ύλη σε αυτές τις καταστάσεις μη ισορροπίας μπορεί να συμπεριφέρεται αρκετά διαφορετικά από ό, τι θα περίμενε κανείς για περισσότερα συστήματα run-of-the-mill κοντά στην ισορροπία και θα ήταν ενδιαφέρον να διερευνηθούν αυτές οι διαφορές στις λεπτομέρειες.
Λευκό:Τελικά, ανοίγει εκ νέου το ερώτημα εάν υπάρχει ένα πραγματικό όριο για την υπερθέρμανση σε έντονα καθοδηγούμενα συστήματα, από τα συστήματα εξισορρόπησης ή αν τα στερεά μπορούν να παραμείνουν πολύ πέρα από αυτό που προβλέπει η παραδοσιακή θερμοδυναμική.
