Un team di ricercatori guidati da Bob Nagler e Thomas White ha recentemente dimostrato un nuovo metodo per misurare la temperatura degli atomi all'interno della materia calda densa - misurando direttamente la velocità degli atomi.
Tutti i materiali possiedono punti di fusione e bollitura specifici, ma possono essere surriscaldati sopra di loro fino a raggiungere un livello di "catastrofe" di entropia di scioglimento improvviso e bollitura.
Quando il team ha surriscaldato oro solido ben oltre il suo limite teorico a 19.000 kelvin, è sopravvissuto alla catastrofe entropica -, il che suggerisce che potrebbe non esserci un limite superiore per i materiali surriscaldati se sono riscaldati abbastanza rapidamente.
Laser Focus World: Di chi era l'idea di surriscaldare l'oro con LCLS? Cosa l'ha ispirato?
Bob Nagler: Quando abbiamo deciso di fare l'esperimento, il nostro obiettivo era quello di sviluppare un nuovo metodo per misurare la temperatura della materia densa calda. Questa questione è densa come una solida, ma riscaldata a decine o centinaia di migliaia di gradi Kelvin. Lo trovi nei giganteschi nuclei pianeti e negli interni stellari, ma quando lo ricreiamo in laboratorio, in realtà misura la sua temperatura è infame.
Abbiamo lanciato questo progetto per affrontare questa sfida, usando la sorgente ray più luminosa del mondo -, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Source (LCLS), per aiutare.
Thomas White:Mi piacerebbe dire che si trattava di un Lone - Wolf Flash di brillantezza ma, in verità, l'idea è uscita da lunghe - frustrazioni in piedi attraverso il campo. Sapevamo che avevamo bisogno di una diagnostica migliore e l'oro ha fatto il materiale di prova dell'idea: spargi bene i raggi X - e può essere facilmente trasformato nelle sottili lamine richieste per questa tecnica. Il nostro team dell'Università del Nevada, Reno, SLAC e altri partner si aspettavano che l'oro si riscaldava sotto irradiazione, ma ciò che si è distinto era quanto il solido rimaneva caldo pur mantenendo la sua struttura cristallina. Anche a queste temperature estreme, il reticolo d'oro persisteva oltre il limite previsto per l'ordine strutturale. Questa osservazione ha spostato il focus del nostro progetto. Quello che è iniziato come uno sforzo pratico per costruire un termometro migliore si è evoluto in un'indagine più profonda sul surriscaldamento e sui limiti fondamentali della materia statale solida - in condizioni estreme.
LFW: Perché LCLS?
Bianco:Il metodo che abbiamo sviluppato si basa sul rilevamento di piccoli cambiamenti nel modo in cui X - i raggi disperdono gli atomi in un materiale. In particolare, piccoli cambiamenti di energia rivelano la temperatura degli ioni. Richiede non solo una fonte straordinariamente luminosa di raggi X -, ma anche larghezza di banda estremamente stretta. Laser elettronici - gratuiti come LCLS e alcuni altri come l'XFEL europeo, sono in modo univoco in grado di fornire questa combinazione. Sono fino a un miliardo di volte più luminoso di qualsiasi sincrotrone, il che è essenziale perché lo scattering anelastico è incredibilmente debole - sull'ordine di pochi fotoni per colpo.
Nagler:LCLS è essenzialmente un chilometro - lungo x - laser a raggio che, per questo esperimento, funge anche da un chilometro - lungo termometro. Senza questa combinazione di luminosità, coerenza e precisione spettrale, questa misurazione semplicemente non sarebbe possibile.
LFW: Cosa ha coinvolto il tuo esperimento?
Nagler: Abbiamo riscaldato un foglio d'oro Ultrathin - solo 50 - nm di spessore - usando una frequenza - raddoppiato TI: Sapphire Laser, dandoci 400 - nm Light Light Light con impulso intorno a 45 fs. Nonostante le temperature estreme che abbiamo raggiunto, il laser stesso non era particolarmente potente per gli standard ad alta densità di energia. Abbiamo usato solo circa ~ 0,3 MJ per impulso. Significa che la parte riscaldante dell'esperimento, la creazione di oro surriscaldato, potrebbe, in linea di principio, essere riprodotta da molti laboratori laser in tutto il mondo.
Bianco:Ma misurare la temperatura di ciò che crei? È la parte difficile. Per questo, hai bisogno dei raggi di banda ultrabrige, stretti -, femtoseCond x - che solo strutture come LCLS e alcuni altri XFel possono fornire. È ciò che ha reso possibile questo esperimento.
LFW: Quali sono i takeaway chiave di questo esperimento? Qualche sorpresa?
Nagler:Per noi e il nostro campo, il principale asporto è che ora abbiamo un metodo libero diretto - per misurare le temperature ioniche in stati estremi della materia - che è stata una lunga - sfida permanente nell'alta - Energia - fisica della densità. La tecnica apre le porte alle equazioni di benchmarking dello stato, convalidando le simulazioni idrodinamiche ed esplorando la materia all'interno dei regimi precedentemente fuori portata sperimentalmente.
Bianco:La vera sorpresa è arrivata quando abbiamo visto fino a che punto potevamo spingere un solido prima che cedesse al disordine. Ci aspettavamo che l'oro si sciogliesse una volta che ha attraversato una certa soglia - ma non lo ha fatto. Il reticolo cristallino teneva insieme a temperature più di 14x il punto di fusione - ben oltre ciò che prevederebbe la termodinamica standard. Questo era il "aha!" Momento: non solo potremmo prendere la temperatura, ma il sistema stesso ha sfidato le aspettative. Nel fare ciò, ci siamo trovati non solo a risolvere una sfida diagnostica, ma anche a scoprire nuove fisici, spingendo i limiti della surriscaldamento e rivisitando ipotesi su quando e come i solidi si sciolgono in condizioni estreme.
LFW: Come ci si sente a confutare un decennio - vecchia teoria?
Bianco:È stato un immersione profonda divertente e affascinante nella fisica della surriscaldamento, esplorando quanto un solido possa essere spinto prima che si rompa e si rende conto che anche i concetti stabiliti bene - hanno bisogno di un attento ripensamento quando applicato a regimi ultraveriosi e non equilibri.
Nagler:Non si trattava così tanto di smentire una vecchia teoria di decenni - quanto mostrava che la teoria non si applica necessariamente agli stati surriscaldati da -} da -. Il framework originale presuppone un sistema in equilibrio termico, avvicinandosi lentamente al punto di fusione, non uno fatto saltare in aria da un impulso laser femtosecondo. Invece di ribaltare la teoria esistente, questo è stato più come uscire dal suo dominio.
LFW: Cosa significa questa scoperta per il surriscaldamento?
Nagler:Mostra che la materia surriscaldata in questi stati di non equilibrio può comportarsi in modo molto diverso da quello che ti aspetteresti per una maggiore corsa - di - il mulino - vicino a - sistemi di equilibrio e sarebbe interessante esplorare queste differenze in più dettagli.
Bianco:In definitiva, riapre la questione se esiste un vero limite alla surriscaldamento in intensamente guidato, lontano - dai sistemi di equilibrio - o se i solidi possono persistere ben oltre ciò che prevede la termodinamica tradizionale.
