Tým vědců vedených Bobem Naglerem a Thomasem Whiteem nedávno prokázal novou metodu měření teploty atomů v teplé husté hmotě - přímým měřením rychlosti atomů.
Všechny materiály mají specifické body tání a varu, ale nad nimi mohou být přehřáté, dokud nedosáhnou úrovně entropie „katastrofy“ náhlého tání a vaření.
Když tým přehřáal pevné zlato daleko za jeho teoretický limit na 19 000 Kelvins, přežil entropickou katastrofu -, což naznačuje, že nemusí existovat horní hranice přehřátých materiálů, pokud jsou dostatečně rychle zahřátí.
Svět laserového zaměření: Čí bylo, že to bylo přehřát zlato pomocí LCL? Co to inspirovalo?
Bob Nagler: Když jsme se rozhodli provést experiment, naším cílem bylo vyvinout novou metodu měření teploty teplé husté hmoty. Tato záležitost je stejně hustá jako pevná, ale zahřívá se na desítky nebo stovky tisíc stupňů Kelvin. Najdete to v obřích jádrech planety a hvězdných interiérech, ale když je znovu vytvoříme v laboratoři, měření jeho teploty je neslavně obtížné.
Tento projekt jsme spustili, abychom tuto výzvu řešili pomocí nejjasnějšího X -} zdroje Ray, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Source (LCLS).
Thomas White:Rád bych řekl, že to byl osamělý - Wolf Flash of Brilliance, ale ve skutečnosti tato myšlenka vyšla z dlouhého - stojícího frustrace po poli. Věděli jsme, že potřebujeme lepší diagnostiku, a Gold vytvořil testovací materiál myšlenky: rozptyluje X - paprsky dobře a lze jej snadno vyrobit do tenkých fóliemi potřebných pro tuto techniku. Náš tým na University of Nevada, Reno, SLAC a další partneři očekávali, že se zlato zahřívá pod ozářením, ale to, co vyniklo, bylo, jak horká pevná látka zůstala při zachování své krystalické struktury. Dokonce i při těchto extrémních teplotách přetrvávala zlaté mřížky nad očekávaným limitem strukturálního pořadí. Toto pozorování posunulo zaměření našeho projektu. To, co začalo jako praktické úsilí o vybudování lepšího teploměru, se vyvinulo v hlubší vyšetřování superhřádání a základní limity pevných látek - Stav za extrémních podmínek.
LFW: Proč LCLS?
Bílý:Metoda, kterou jsme vyvinuli, se spoléhá na detekci drobných změn v tom, jak x - paprsky rozptýlí atomy v materiálu. Konkrétně malé posuny energie odhalují teplotu iontů. Vyžaduje to nejen mimořádně jasný zdroj paprsků x -, ale také extrémně úzkou šířku pásma. Free - Elektronové lasery jako LCLS a několik dalších, jako je evropský xfel, jsou jedinečně schopni tuto kombinaci doručit. Jsou až do miliardykrát jasnější než jakýkoli synchrotron, což je nezbytné, protože nepružný rozptyl je neuvěřitelně slabý - v pořadí jen několika fotonů na výstřel.
Nagler:LCLS je v podstatě kilometr - dlouhý x - Ray Laser, který pro tento experiment také působí jako kilometr - dlouhý teploměr. Bez této kombinace jasu, koherence a spektrální přesnosti by toto měření prostě nebylo možné.
LFW: Co zapojil váš experiment?
Nagler: Vytápěli jsme ultrathin zlaté fólii - jen 50 - nm tlustý - pomocí frekvence - zdvojnásobil Ti: Sapphire Laser, což nám dává 400 -} nm vlnové světla kolem 45 fs. Přes extrémní teploty, které jsme dosáhli, nebyl samotný laser zvláště silný podle standardů s vysokou hustotou. Použili jsme pouze asi ~ 0,3 mj na puls. Znamená to, že topná část experimentu, vytvoření přehřátého zlata, by mohla být v zásadě reprodukována mnoha laserovými laboratořemi po celém světě.
Bílý:Ale měření teploty toho, co vytvoříte? Je to těžká část. Za tímto účelem potřebujete ultrabright, úzkou - šířka pásma, femtosecond x - paprsky, které mohou poskytnout pouze zařízení jako LCL a několik dalších xfels. To umožnilo tento experiment.
LFW: Jaké jsou klíčové cesty tohoto experimentu? Nějaká překvapení?
Nagler:Pro nás a naše pole je hlavním s sebou, že nyní máme přímý, model - volný metoda pro měření teplot iontů v extrémních stavech hmoty -, která byla dlouhá - stálá výzva ve vysoké {{}} energii - fyziky. Tato technika otevírá dveře do srovnávacích rovnic stavu, ověřuje hydrodynamické simulace a zkoumá hmotu v režimech, které byly dříve experimentálně mimo dosah.
Bílý:Skutečné překvapení přišlo, když jsme viděli, jak daleko jsme mohli tlačit pevnou látku, než se vzdal poruchy. Očekávali jsme, že se zlato roztaví, jakmile překročí určitý práh -, ale ne. Křišťálová mříže držela pohromadě při teplotách více než 14x bod tání - daleko za to, co by standardní termodynamika předpovídala. To byla „aha!“ Moment: Nejenže bychom mohli vzít teplotu, ale samotný systém vzdoroval očekáváním. Přitom jsme se ocitli nejen řešíme diagnostickou výzvu, ale také odhalili novou fyziku, posunuli limity přehřátí a revidovali předpoklady o tom, kdy a jak se roztaví pevné látky za extrémních podmínek.
LFW: Jaké to bylo vyvrátit desetiletí - stará teorie?
Bílý:Byla to zábavná a fascinující hluboká ponoření do fyziky přehřátí, zkoumání, jak daleko lze pevnou tlačit, než se rozpadne, a uvědomit si, že i dobře - zavedené koncepty musí při aplikaci na ultralehké, nekvalivé režimy opatrně přehodnotit.
Nagler:Nebylo to tolik o vyvrácení desetiletí - stará teorie, jak se ukázala, že teorie se nemusí nutně vztahovat na daleko - z - rovnovážných superhřátéch stavů. Původní rámec předpokládá systém v tepelné rovnováze a pomalu se blíží k bodu tání, ne vystřelený femtosekundovým laserovým pulsem. Místo převrácení existující teorie to bylo spíše jako vykročit mimo její doménu.
LFW: Co znamená tento objev pro přehřátí?
Nagler:Ukazuje to, že přehřátá hmota v těchto stavech nekvalifilu se může chovat zcela odlišně, než byste očekávali pro více běhu - - - mlýna poblíž {{- Ekvilibrium Systems a bylo by zajímavé prozkoumat tyto rozdíly v podrobnějších.
Bílý:Nakonec to znovu otevírá otázku, zda existuje skutečný limit pro přehřátí v intenzivně řízeném, daleko - z - rovnovážných systémů, nebo zda pevné látky mohou přetrvávat daleko za to, co tradiční termodynamika předpovídá.
