Bob Nagleri ja Thomas White'i juhitud teadlaste meeskond näitas hiljuti uut meetodit aatomite temperatuuri mõõtmiseks soojas tihedas aines -, mõõtes otse aatomite kiirust.
Kõigil materjalidel on spetsiifilised sulamis- ja keemispunktid, kuid neid saab ülekuumendada, kuni nad jõuavad entroopia "katastroof" järsku sulamise ja keemise tasemeni.
Kui meeskond soojendas tahket kulla oma teoreetilisest piirist kaugemale 19 000 kelviinile, elas see üle entroopia katastroofi -, mis viitab sellele, et ülekuumendatud materjalide jaoks ei pruugi olla ülempiir, kui need on piisavalt kiiresti kuumutatud.
Laserfookusmaailm: Kelle idee oli LCLS -iga ülekuumeneda? Mis sellest inspireeris?
Bob Nagler: Kui otsustasime katse teha, oli meie eesmärk välja töötada uus meetod sooja tiheda aine temperatuuri mõõtmiseks. See küsimus on sama tihe kui tahke, kuid kuumutatud kümnete või sadade tuhandete kraadideni Kelvin. Leiate selle hiiglaslikest planeedi südamikest ja täheinterjööridest, kuid kui me laboris selle taasloome, on selle temperatuuri mõõtmine kurikuulsalt keeruline.
Käivitasime selle projekti selle väljakutsega tegelemiseks, kasutades maailma säravaimat x - kiirallika, SLAC National Acceleratori Linaci sidusat valgusallikat (LCLS).
Thomas White:Mulle meeldiks öelda, et see oli üksildane - hundi sära, kuid tegelikult tuli idee välja pikkadest - seistes pettumustest kogu põllul. Teadsime, et vajame paremat diagnostikat ja kuld tegi idee testmaterjali: see hajutab x - kiirteid hästi ja seda saab hõlpsalt teha selle tehnika jaoks vajalike õhukeste fooliumideks. Meie meeskond Nevada ülikooli, Reno, SLAC ja teiste partneritega eeldasid, et kulda kuumeneb kiiritamise korral, kuid see paistis silma, kui kuum tahke tahke püsis, säilitades samal ajal oma kristalse struktuuri. Isegi nendel ekstreemsetel temperatuuridel püsis kuldvõre konstruktsioonijärje eeldatavast piirist üle. See tähelepanek nihutas meie projekti fookust. See, mis sai alguse praktilise jõupingutusena parema termomeetri ehitamiseks, arenes ülekuumenemise sügavamaks uurimiseks ja tahke - olekute põhipiirideks ekstreemsetes tingimustes.
Lfw: Miks lcls?
Valge:Meie välja töötatud meetod tugineb pisikeste muutuste tuvastamisele, kuidas x - kiirte hajutavad aatomid materjalis. Täpsemalt, väikeste energia nihked näitavad ioonide temperatuuri. See nõuab mitte ainult erakordselt helget x - kiirte allikat, vaid ka äärmiselt kitsa ribalaius. Tasuta - elektron laserid nagu LCL -id ja mõned teised, näiteks Euroopa XFEL, on ainulaadselt võimelised seda kombinatsiooni pakkuma. Nad on kuni ühegi sünkrotroniga kuni miljard korda heledamad, mis on hädavajalik, kuna elastne hajumine on uskumatult nõrk - vaid mõne footoni järjekorras.
Nagler:LCLS on põhimõtteliselt kilomeeter - pikk x - kiirlaser, mis selle katse jaoks toimib ka kilomeeter - pikk termomeetr. Ilma selle heleduse, sidususe ja spektri täpsuse kombinatsioonita pole see mõõtmine lihtsalt võimalik.
Lfw: Mida teie eksperiment hõlmas?
Nagler: Kuumutasime ülikerge kuldfooliumi - lihtsalt 50 - nm paks -, kasutades sagedust - kahekordistunud Ti: sapphire -laser, andes meile 400- nm lainepikkuse valguse pulgad umbes 45 fs. Vaatamata äärmuslikele temperatuuridele, milleni jõudsime, ei olnud laser ise kõrge energiatihedusega standardite järgi eriti võimas. Me kasutasime ainult umbes ~ 0,3 mJ impulsi kohta. See tähendab, et katse kuumutamise osa, ülekuumendatud kulla loomist, võiksid põhimõtteliselt reprodutseerida paljud laserlaborid kogu maailmas.
Valge:Kuid loodud temperatuuri mõõtmine? See on raske osa. Selleks vajate ultrabrigha, kitsast - ribalaiust, femtosecond x - kiirte, mida pakuvad ainult rajatised nagu LCL -id ja mõned muud XFEL -id. See tegi selle katse võimalikuks.
Lfw: Millised on selle katse peamised äravõtmised? Kas teil on üllatusi?
Nagler:Meie ja meie valdkonna jaoks on peamine äravõtmine see, et meil on nüüd otsene mudel - tasuta meetod ioonide temperatuuride mõõtmiseks mateeria äärmuslikes olekutes -, mis on olnud pikk - alaline väljakutse kõrge - Energy- tihedusfüüsikas. See tehnika avab ukse olekuvõrrandite võrdlusuuringuteks, hüdrodünaamiliste simulatsioonide valideerimiseks ja režiimide uurimiseks, mis olid varem eksperimentaalselt kättesaamatud.
Valge:Tõeline üllatus tuli siis, kui nägime just seda, kui kaugele saime tahket suruda enne, kui see korralagedele järele andis. Me eeldasime, et kuld sulab, kui see ületas teatud läve -, kuid see ei teinud seda. Kristallvõre hoiti koos temperatuuridel üle 14x sulamistemperatuuri - tunduvalt kaugemale sellest, mida tavaline termodünaamika ennustaks. See oli 'aha!' Hetk: mitte ainult ei saanud me temperatuuri võtta, vaid ka süsteem ise ootusi. Seejuures leidsime end mitte ainult diagnostilise väljakutse lahendamisel, vaid ka uue füüsika paljastamisel, surudes ülekuumenemise piire ja vaadates uuesti eeldusi selle kohta, millal ja kuidas tahked ained äärmuslikes tingimustes sulavad.
Lfw: Mis tunne oli ümber lükata aastakümneid - vana teooria?
Valge:See oli lõbus ja põnev sügav sukeldumine ülekuumenemise füüsikasse, uurides, kui kaugele tahket saab enne lagunemist lükata, ja mõistes, et isegi hästi - loodud mõisted vajavad ultrafastide, mittekevaliku režiimi korral hoolikat ümbermõtestamist.
Nagler:Asi ei olnud niivõrd aastakümnete - vana teooria ümberlükkamises, kuivõrd see näitas, et teooria ei kehti tingimata kaugele - - tasakaalustoodetud olekutest. Algne raamistik eeldab termilises tasakaalusüsteemi, mis läheneb aeglaselt sulamistemperatuurile, mitte femtosekundi laserimpulsiga. Olemasoleva teooria ümberlükkamise asemel sarnanes see pigem oma domeenist välja astumisele.
Lfw: Mida see avastus ülekuumenemiseks tähendab?
Nagler:See näitab, et nendes mittekestamisseisundites võib ülekuumendatud aine käituda üsna erinevalt, kui võiksite oodata rohkem {- {- veski {- lähedal - tasakaalusüsteeme {-.
Valge:Lõppkokkuvõttes avab see uuesti küsimuse, kas intensiivselt juhitud, kaugelt - - tasakaalusüsteemidest on ülekuumenemine tõeline piir, või kas tahked ained võivad püsida kaugemale sellest, mida traditsiooniline termodünaamika ennustab.
