Команда исследователей во главе с Бобом Наглером и Томасом Уайтом недавно продемонстрировала новый метод измерения температуры атомов в теплом плотном веществе -, непосредственно измеряя скорость атомов.
Все материалы обладают определенными точками плавления и кипения, но их можно перегреть над ними, пока они не достигнут энтропийной «катастрофы» внезапного плавления и кипения.
Когда команда перегрела твердое золото далеко за пределами своего теоретического предела до 19 000 келвинов, она пережила катастрофу энтропии -, что предполагает, что не может быть верхнего предела для перегретых материалов, если они нагреваются достаточно быстро.
Laser Focus World: Чья это была идея перегреть золото с LCLS? Что вдохновило это?
Боб Наглер: Когда мы намереваемся провести эксперимент, нашей целью было разработать новый метод измерения температуры теплого плотного вещества. Этот вопрос такой же плотный, как твердый, но нагревается до десятков или сотен тысяч градусов Кельвина. Вы находите его в ядрах гигантских планеты и звездных интерьерах, но когда мы воссоздаем его в лаборатории, фактически измерять ее температуру позорно сложно.
Мы запустили этот проект для решения этой задачи, используя самый яркий в мире x - источник Ray, SLAC National Accelerator Coherent Line Source (LCLS), чтобы помочь.
Томас Уайт:Я хотел бы сказать, что это была одинокая - вспышка волки блеска, но, по правде говоря, идея вышла из долгой -, стоящих по полю. Мы знали, что нам нужна лучшая диагностика, и золото сделало тестовый материал идеи: он хорошо разбросает x - лучи и может быть легко превращен в тонкие фольги, необходимые для этой техники. Наша команда в Университете Невады, Рено, Слака и других партнеров ожидала нагревания золота под облучением, но выделились то, насколько горячее осталось твердое осталось при сохранении своей кристаллической структуры. Даже при этих экстремальных температурах золотая решетка сохранялась за пределами ожидаемого предела для структурного порядка. Это наблюдение сместило фокус нашего проекта. То, что началось как практическое усилие по созданию лучшего термометра, превратилось в более глубокое исследование перегрева и фундаментальные пределы твердого состояния - вещества состояния в экстремальных условиях.
LFW: Почему LCLS?
Белый:Метод, который мы разработали, опирается на обнаружение крошечных изменений в том, как x - лучи рассеивают атомы в материале. В частности, небольшие сдвиги энергии показывают температуру ионов. Это требует не только чрезвычайно яркого источника x - лучей, но и чрезвычайно узкой пропускной способности. Free - электронные лазеры, такие как LCLS, и несколько других, таких как европейский XFEL, уникально способны предоставить эту комбинацию. Они до миллиарда раз ярче любого синхротрона, что важно, потому что неэластичное рассеяние невероятно слабого - на порядок всего несколько фотонов за выстрел.
Наглер:LCLS, по сути, километр - Long x - Laser, который для этого эксперимента также действует как километр - длинный термометр. Без этой комбинации яркости, когерентности и спектральной точности это измерение просто не было бы возможно.
LFW: Что включал ваш эксперимент?
Наглер: Мы нагревали ультратиновую золотую фольгу - только 50 - nm толщиной - с использованием частоты - удвоенного Ti: сапфирский лазер, давая нам 400 - nm -волновой длиной с помощью пульса -дюраций около 45 FS. Несмотря на экстремальные температуры, которые мы достигли, сам лазер не был особенно мощным по стандартам высокой энергетики. Мы использовали только около ~ 0,3 МДж на импульс. Это означает, что нагревающая часть эксперимента, создание перегретого золота, в принципе может быть воспроизведено многими лазерными лабораториями по всему миру.
Белый:Но измерение температуры того, что вы создаете? Это сложная часть. Для этого вам нужна ультрабровка, узкая - полоса пропускания, Femtosecond x - лучи, которые могут предоставить только такие средства, как LCL и несколько других Xfels. Это то, что сделало этот эксперимент возможным.
LFW: Каковы ключевые выводы этого эксперимента? Какие -нибудь сюрпризы?
Наглер:Для нас и наше поле основным выводом является то, что теперь у нас есть прямой, модель - свободный метод измерения температур ионов в экстремальных состояниях материи -, который был длинным - постоянными проблемами в высокой- энергии -. Техника открывает дверь для сравнительных уравнений состояния, проверки гидродинамического моделирования и изучения вопроса в режимах, которые ранее были экспериментально.
Белый:Настоящий сюрприз наступил, когда мы увидели, как далеко мы могли протолкнуть, прежде чем он поддается беспорядку. Мы ожидали, что золото тает после того, как оно пересекло определенный порог -, но это не так. Кристаллическая решетка содержится вместе при температуре, более чем в 14 раз в температуру плавления - далеко за пределами того, что будет предсказать стандартную термодинамику. Это был «Ага!» Момент: мы не только можем принять температуру, но и сама система бросила вызов ожиданиям. При этом мы обнаружили, что не только решаем диагностическую проблему, но и раскрываем новую физику, раздвигая границы перегрева и пересмотренные предположения о том, когда и как твердые вещества тают в экстремальных условиях.
LFW: Каково было опровергнуть десятилетия - старую теорию?
Белый:Это было забавное и увлекательное глубокое погружение в физику перегрева, исследуя, как далеко можно протолкнуть твердое вещество, прежде чем оно сломается, и осознавая, что даже хорошо - установленные концепции нуждаются в тщательном переосмыслении при применении к ультрастаноту, неравновесным режимам.
Наглер:Речь шла не столько о том, чтобы опровергнуть десятилетия - старую теорию, так как она показывала, что теория не обязательно применяется к далеко - из - равновесных перегретых состояний. Оригинальная структура предполагает систему в термическом равновесии, медленно приближаясь к точке плавления, а не взорвана фемтосекундным лазерным импульсом. Вместо того, чтобы отменить существующую теорию, это было больше похоже на выход за пределы своей области.
LFW: Что это открытие означает для перегрева?
Наглер:Это показывает, что перегретое вещество в этих неравновесных состояниях может вести себя совершенно иначе, чем вы ожидаете, чтобы получить больший запуск - of - мельницы - рядом с- равновесия, и было бы интересно изучить эти различия более подробно.
Белый:В конечном счете, он вновь открывает вопрос о том, существует ли истинный предел перегрева в интенсивно приводимых, далеко - из - систем равновесия, или твердые вещества могут сохраняться далеко за пределами того, что предсказывает традиционная термодинамика.
