Et team af forskere ledet af Bob Nagler og Thomas White demonstrerede for nylig en ny metode til at måle temperaturen på atomer inden for varmt tæt stof - ved direkte at måle atomernes hastighed.
Materialer har alle specifikke smeltnings- og kogepunkter, men kan overophedes over dem, indtil de når en entropi "katastrofe" niveau af pludselig smeltning og kogning.
Når holdet overophedede fast guld langt ud over sin teoretiske grænse for 19.000 Kelvins, overlevede det entropi -katastrofen -, hvilket antyder, at der muligvis ikke er en øvre grænse for overophedede materialer, hvis de er opvarmet hurtigt nok.
Laserfokusverden: Hvem idé var det at overophede guld med LCL'er? Hvad inspirerede det?
Bob Nagler: Da vi begyndte at udføre eksperimentet, var vores mål at udvikle en ny metode til at måle temperaturen i varmt tæt stof. Denne sag er lige så tæt som en solid, men opvarmet til titusinder eller hundreder af tusinder af grader Kelvin. Du finder det i gigantiske planetkerner og stjernernes interiør, men når vi genskaber det i laboratoriet, er det faktisk vanskeligt vanskeligt at måle dens temperatur.
Vi lancerede dette projekt til at tackle denne udfordring ved hjælp af verdens lyseste x - Ray Source, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Source (LCLS), til at hjælpe.
Thomas White:Jeg ville meget gerne sige, at det var en ensom - ulveblitz af glans, men i sandhed kom ideen ud af lang - stående frustrationer over marken. Vi vidste, at vi havde brug for en bedre diagnostik, og guld lavede idétestmaterialet: Det spreder x - stråler godt og kan let fremstilles til de tynde folier, der kræves til denne teknik. Vores team ved University of Nevada, Reno, SLAC og andre partnere forventede, at guldet ville varme op under bestråling, men hvad der stod ud var, hvor varmt det faste stof forblev, mens det opretholdt sin krystallinske struktur. Selv ved disse ekstreme temperaturer fortsatte guldgitteret ud over den forventede grænse for strukturel orden. Denne observation skiftede fokus på vores projekt. Det, der begyndte som en praktisk indsats for at opbygge et bedre termometer, udviklede sig til en dybere undersøgelse af overophedning og de grundlæggende grænser for faste - tilstand under ekstreme forhold.
LFW: Hvorfor LCL'er?
Hvid:Metoden, vi udviklede, er afhængig af at detektere små ændringer i, hvordan x - stråler spreder atomer i et materiale. Specifikt afslører små energiforskydninger temperaturen på ionerne. Det kræver ikke kun en ekstraordinært lys kilde til x - stråler, men også ekstremt smal båndbredde. Gratis - elektronlasere som LCL'er og et par andre, såsom European XFEL, er unikt i stand til at levere denne kombination. De er op til en milliard gange lysere end nogen synkrotron, hvilket er vigtigt, fordi den uelastiske spredning er utroligt svag - i størrelsesordenen kun et par fotoner pr. Skud.
Nagler:LCLS er i det væsentlige en kilometer - lang x - Ray Laser, der for dette eksperiment også fungerer som en kilometer - lang termometer. Uden denne kombination af lysstyrke, sammenhæng og spektral præcision ville denne måling simpelthen ikke være mulig.
LFW: Hvad involverede dit eksperiment?
Nagler: Vi opvarmede en ultrathin guldfolie - kun 50 - nm tyk - ved hjælp af en frekvens - fordoblet Ti: Sapphire laser, hvilket giver os 400 - nm bølgelængde lys med pulse varationer omkring 45 fs. På trods af de ekstreme temperaturer, vi nåede, var selve laseren ikke særlig kraftfuld efter højenergitæthedsstandarder. Vi brugte kun ca. ~ 0,3 MJ pr. Puls. Det betyder, at opvarmningsdelen af eksperimentet, skabelsen af overophedet guld, i princippet kan gengives af mange laserlaboratorier over hele verden.
Hvid:Men måling af temperaturen på det, du opretter? Det er den hårde del. Til dette har du brug for den ultrabright, smal - båndbredde, femtosekund x - stråler, som kun faciliteter som LCL'er og et par andre XFels kan levere. Det er det, der gjorde dette eksperiment muligt.
LFW: Hvad er de vigtigste takeaways i dette eksperiment? Er der nogen overraskelser?
Nagler:For os og vores felt er den største takeaway, at vi nu har en direkte, model - fri metode til måling af iontemperaturer i ekstreme tilstande - som har været en lang - stående udfordring i høje - energi - densitetsfysik. Teknikken åbner døren til benchmarking -ligninger af tilstand, validering af hydrodynamiske simuleringer og udforskning af stof inden for regimer, der tidligere var ude af rækkevidde.
Hvid:Den virkelige overraskelse kom, da vi så, hvor langt vi kunne skubbe et solidt, før det gav efter for uorden. Vi forventede, at guldet skulle smelte, når det krydsede en bestemt tærskel -, men det gjorde det ikke. Krystallgitteret holdes sammen ved temperaturer mere end 14x smeltepunktet - langt ud over, hvilken standard termodynamik ville forudsige. Dette var 'Aha!' Øjeblik: Ikke kun kunne vi tage temperaturen, men selve systemet trodsede forventningerne. Dermed fandt vi os ikke kun at løse en diagnostisk udfordring, men også afsløre ny fysik, skubbe grænserne for overophedning og revidere antagelser om hvornår og hvordan faste stoffer smelter under ekstreme forhold.
LFW: Hvordan føltes det at modbevise et årtier - gammel teori?
Hvid:Det var et sjovt og fascinerende dybt dyk i fysikken ved overophedning, at udforske, hvor langt et solidt kan skubbes, før det går i stykker, og indser, at selv godt - etablerede koncepter har brug for omhyggelig genovervejelse, når de anvendes til ultrahastiske, ingen quilibrium -regimer.
Nagler:Det handlede ikke så meget om at modbevise et årtier - gammel teori, som den viste, at teorien ikke nødvendigvis gælder for langt - fra - ligevægtsovervarmede stater. Den originale ramme antager et system i termisk ligevægt, der langsomt nærmer sig smeltepunktet, ikke en sprængt af en femtosekund laserpuls. I stedet for at vælte den eksisterende teori, var det mere som at træde uden for dets domæne.
LFW: Hvad betyder denne opdagelse for overophedning?
Nagler:Det viser, at overophedet stof i disse ikke -quilibriumtilstande kan opføre sig helt anderledes, end du ville forvente for mere kørsel - af - - møllen nær - ligevægtssystemer, og det ville være interessant at udforske disse forskelle mere detaljeret.
Hvid:I sidste ende genåbner det spørgsmålet om, hvorvidt der er en sand grænse for overophedning i intenst drevet, langt - fra - ligevægtssystemer, eller om faste stoffer kan fortsætte langt ud over, hvad traditionel termodynamik forudsiger.
