أظهر فريق من الباحثين بقيادة بوب ناجلر وتوماس وايت مؤخرًا طريقة جديدة لقياس درجة حرارة الذرات في المادة الكثيفة الدافئة - عن طريق قياس سرعة الذرات مباشرة.
تمتلك جميع المواد نقاط ذوبان وغليان محددة ، ولكن يمكن تسخينها فوقها حتى تصل إلى مستوى "كارثة" إنتروبيا من الانصهار المفاجئ والغليان.
عندما تحرك الفريق من الذهب الصلب إلى أبعد من الحد النظري إلى 19000 من الكيلفن ، نجا من كارثة الانتروبيا - مما يشير إلى أنه قد لا يكون هناك حد أعلى للمواد المركزة إذا كانت تسخنها بسرعة كافية.
عالم التركيز بالليزر: من كانت فكرة الذهب الفائقة مع LCLs؟ ما الذي ألهمها؟
بوب ناجلر: عندما شرعنا في إجراء التجربة ، كان هدفنا هو تطوير طريقة جديدة لقياس درجة حرارة المادة الكثيفة الدافئة. هذه المسألة كثيفة مثل صلبة ، ولكنها يتم تسخينها إلى عشرات أو مئات الآلاف من الدرجات كلفن. تجده في نوى الكوكب العملاقة والتصميمات الداخلية النجمية ، ولكن عندما نعيد إنشائها في المختبر ، فإن قياس درجة حرارته أمر صعب للغاية.
لقد أطلقنا هذا المشروع لمعالجة هذا التحدي ، باستخدام مصدر Linac Source Source X {}}} في العالم ، ومصدر Linac Coerrent Light (LCLS) ، للمساعدة.
توماس وايت:أحب أن أقول إنه كان وحيدًا وحيدًا من الذئب ، ولكن في الحقيقة ، خرجت الفكرة من الإحباط الطويل - في جميع أنحاء الحقل. كنا نعلم أننا بحاجة إلى تشخيص أفضل ، وجعل الذهب مادة اختبار الأفكار: فهي تتناثر X - بشكل جيد ويمكن تحويلها بسهولة إلى رقائق رقيقة المطلوبة لهذه التقنية. توقع فريقنا في جامعة نيفادا ورينو و SLAC وشركاء آخرين أن يسخن الذهب تحت التشعيع ، ولكن ما برز هو مدى حار المادة الصلبة مع الحفاظ على هيكلها البلوري. حتى في درجات الحرارة القصوى ، استمرت الشبكة الذهبية إلى ما وراء الحد المتوقع للنظام الهيكلي. حولت هذه الملاحظة تركيز مشروعنا. ما بدأ كجهد عملي لبناء مقياس حرارة أفضل تطورت إلى تحقيق أعمق في السخن الدائم والحدود الأساسية للمادة الصلبة - في ظل الظروف القصوى.
LFW: لماذا LCLS؟
أبيض:تعتمد الطريقة التي طورناها على اكتشاف تغييرات صغيرة في كيفية إبعاد الأشعة X - عن الذرات في مادة. على وجه التحديد ، تكشف نوبات الطاقة الصغيرة عن درجة حرارة الأيونات. لا يتطلب الأمر فقط مصدرًا ساطعًا بشكل غير عادي لأشعة X - ، ولكن أيضًا عرض النطاق الترددي الضيق للغاية. مجانية - ليزر الإلكترون مثل LCLS ، وعدد قليل من الآخرين مثل XFEL الأوروبي ، قادرون بشكل فريد على تقديم هذا المزيج. إنها أكثر إشراقًا بمليارات مرة من أي synchrotron ، وهو أمر ضروري لأن التناثر غير المرن ضعيف بشكل لا يصدق - بترتيب عدد قليل من الفوتونات لكل لقطة.
ناجلر:LCLS هو في الأساس كيلومتر الكيلومتر - Long x - شعاع ليزر ، في هذه التجربة ، يعمل أيضًا ككيلومتر - مقياس حرارة طويل. بدون هذا المزيج من السطوع والتماسك والدقة الطيفية ، لن يكون هذا القياس ببساطة ممكنًا.
LFW: ماذا شاركت تجربتك؟
ناجلر: قمنا بتسخين احباط الذهب Ultrathin - فقط 50 - nm سميكة - باستخدام تردد - مضاعفة ti: ليزر الياقوت ، مما يعطينا 400- nm wavidencute مع ظهور النبض 45 fs. على الرغم من درجات الحرارة القصوى التي وصلنا إليها ، فإن الليزر نفسه لم يكن قويًا بشكل خاص وفقًا لمعايير الكثافة عالية الطاقة. استخدمنا فقط حوالي 0.3 MJ لكل نبضة. وهذا يعني أن جزء التدفئة من التجربة ، وإنشاء الذهب المحمص ، يمكن ، من حيث المبدأ ، إعادة إنتاجه من قبل العديد من مختبرات الليزر في جميع أنحاء العالم.
أبيض:لكن قياس درجة حرارة ما تنشئه؟ إنه الجزء الصعب. لهذا ، تحتاج إلى عرض النطاق الترددي - ، FemtoSecond X - التي يمكن أن توفرها فقط مرافق مثل LCLs وعدد قليل من XFels. هذا ما جعل هذه التجربة ممكنة.
LFW: ما هي الوجبات الرئيسية لهذه التجربة؟ أي مفاجآت؟
ناجلر:بالنسبة لنا ومجالنا ، فإن الوجبات الرئيسية هي أن لدينا الآن طريقة مباشرة ، نموذج - لقياس درجات حرارة أيون في الحالات القصوى للمادة - التي كانت طاقة طويلة - في الفيزياء ذات الكثافة العالية-- تفتح هذه التقنية الباب أمام معادلات القياس للدولة ، والتحقق من صحة المحاكاة الهيدروديناميكية ، واستكشاف المادة داخل الأنظمة التي كانت بعيدة المنال سابقًا بشكل تجريبي.
أبيض:جاءت المفاجأة الحقيقية عندما رأينا إلى أي مدى يمكننا دفع الصلبة قبل أن يستسلم للاضطراب. توقعنا أن يذوب الذهب بمجرد عبور عتبة معينة - لكنها لم تفعل ذلك. الشبكة البلورية التي تمسك بها في درجات حرارة تزيد عن 14x نقطة الانصهار - تتجاوز ما ستتنبأ به الديناميكا الحرارية القياسية. كان هذا "آها!" اللحظة: ليس فقط يمكننا أخذ درجة الحرارة ، ولكن النظام نفسه تحدى التوقعات. عند القيام بذلك ، وجدنا أنفسنا ليس فقط لحل التحدي التشخيصي ، ولكن أيضًا الكشف عن فيزياء جديدة ، ودفع حدود السخن ، وإعادة النظر في الافتراضات حول متى وكيف تذوب المواد الصلبة في ظل الظروف القاسية.
LFW: ما الذي شعرت به لدحض عقود - النظرية القديمة؟
أبيض:لقد كان غوصًا عميقًا وممتعًا في فيزياء السخن ، واستكشاف المدى الذي يمكن دفع الصلبة قبل أن ينهار ، ويدرك أنه حتى المفاهيم الراسخة بشكل جيد - تحتاج إلى إعادة التفكير بعناية عند تطبيقها على أنظمة فائقة الصدر.
ناجلر:لم يكن الأمر يتعلق بحساب نظرية قديمة - بقدر ما كانت تُظهر أن النظرية لا تنطبق بالضرورة على - من - الحالات المحمولة بالتوازن. يفترض الإطار الأصلي نظامًا في التوازن الحراري ، ويقترب ببطء من نقطة الانصهار ، وليس من النبض بالليزر فيمتوثانية. بدلاً من قلب النظرية الحالية ، كان هذا أشبه بالخروج خارج مجالها.
LFW: ماذا يعني هذا الاكتشاف للتسخين؟
ناجلر:إنه يوضح أن المادة المزيفة في حالات nonequilibrium هذه يمكن أن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عما تتوقعه لمزيد من التشغيل - من- مطحنة - بالقرب من- أنظمة التوازن وسيكون من المثير للاهتمام استكشاف هذه الاختلافات بمزيد من التفاصيل.
أبيض:في نهاية المطاف ، يعيد فتح مسألة ما إذا كان هناك حد حقيقي للتسخين في أنظمة التوازن بشكل مكثف ، بعيد- من أنظمة التوازن- ، أو ما إذا كانت المواد الصلبة يمكن أن تستمر بشكل جيد بما يتوقعه الديناميكا الحرارية التقليدية.
