Một nhóm các nhà nghiên cứu do Bob Nagler và Thomas White dẫn đầu đã chứng minh một phương pháp mới để đo nhiệt độ của các nguyên tử trong vật chất dày đặc ấm - bằng cách đo trực tiếp tốc độ của các nguyên tử.
Tất cả các vật liệu đều sở hữu các điểm nóng chảy và sôi cụ thể, nhưng có thể bị quá nóng phía trên chúng cho đến khi chúng đạt đến một mức độ "thảm họa" entropy của sự tan chảy và sôi đột ngột.
Khi nhóm làm quá nhiệt vàng vượt xa giới hạn lý thuyết của nó đến 19.000 Kelvins, nó đã sống sót sau thảm họa entropy - cho thấy có thể không có giới hạn trên đối với các vật liệu quá nóng nếu chúng được làm nóng đủ nhanh.
Thế giới lấy nét laser: Ý tưởng của ai là vàng quá nhiệt với LCLS? Điều gì đã truyền cảm hứng cho nó?
Bob Nagler: Khi chúng tôi bắt đầu thực hiện thí nghiệm, mục tiêu của chúng tôi là phát triển một phương pháp mới để đo nhiệt độ của vật chất dày đặc ấm. Vấn đề này dày đặc như một chất rắn, nhưng nóng đến hàng chục hoặc hàng trăm ngàn độ Kelvin. Bạn tìm thấy nó trong các lõi hành tinh khổng lồ và nội thất sao, nhưng khi chúng ta tạo lại nó trong phòng thí nghiệm, thực sự đo nhiệt độ của nó là rất khó khăn.
Chúng tôi đã khởi động dự án này để giải quyết thách thức này, sử dụng nguồn tia X sáng nhất thế giới nhất thế giới, Nguồn ánh sáng Linac (LCLS) của SLAC National Accelerator (LCLS), để giúp đỡ.
Thomas White:Tôi rất thích nói rằng đó là một - Wolf flash của sự sáng chói, nhưng, trong thực tế, ý tưởng đã xuất hiện từ Long - sự thất vọng đứng trên sân. Chúng tôi biết rằng chúng tôi cần một chẩn đoán tốt hơn và vàng đã tạo ra vật liệu kiểm tra ý tưởng: nó phân tán X - Rays tốt và có thể dễ dàng thực hiện thành các lá mỏng cần thiết cho kỹ thuật này. Đội ngũ của chúng tôi tại Đại học Nevada, Reno, SLAC và các đối tác khác dự kiến vàng sẽ nóng lên dưới sự chiếu xạ, nhưng điều nổi bật là việc vật rắn vẫn còn nóng như thế nào trong khi vẫn duy trì cấu trúc tinh thể của nó. Ngay cả ở những nhiệt độ khắc nghiệt này, mạng lưới vàng vẫn tồn tại vượt quá giới hạn dự kiến cho trật tự cấu trúc. Quan sát này thay đổi trọng tâm của dự án của chúng tôi. Những gì bắt đầu như một nỗ lực thực tế để xây dựng một nhiệt kế tốt hơn đã phát triển thành một cuộc điều tra sâu hơn về quá nhiệt và giới hạn cơ bản của vật chất rắn- trong điều kiện khắc nghiệt.
LFW: Tại sao LCLS?
Trắng:Phương pháp chúng tôi phát triển phụ thuộc vào việc phát hiện các thay đổi nhỏ trong cách x - Tia phân tán các nguyên tử trong một vật liệu. Cụ thể, sự thay đổi năng lượng nhỏ cho thấy nhiệt độ của các ion. Nó không chỉ yêu cầu một nguồn tia X cực kỳ sáng của X -, mà còn vô cùng hẹp băng thông. Miễn phí - laser electron như LCL và một vài loại khác như XFEL châu Âu, có khả năng cung cấp kết hợp này một cách duy nhất. Chúng sáng hơn một tỷ lần so với bất kỳ synchrotron nào, điều này rất cần thiết bởi vì sự tán xạ không đàn hồi là cực kỳ yếu - theo thứ tự chỉ một vài photon mỗi lần chụp.
Nagler:LCL về cơ bản là một km - dài x - tia laser Ray, đối với thử nghiệm này, cũng hoạt động như một km - Nhiệt kế dài. Nếu không có sự kết hợp của độ sáng, sự kết hợp và độ chính xác quang phổ, phép đo này chỉ đơn giản là không thể.
LFW: Thử nghiệm của bạn liên quan gì?
Nagler: Chúng tôi đã làm nóng một lá vàng ultrathin - chỉ 50 - nm dày - bằng tần số - nhân đôi TI: sapphire laser, cho chúng tôi 400 {- nm. Mặc dù nhiệt độ khắc nghiệt mà chúng tôi đạt được, bản thân laser không đặc biệt mạnh mẽ theo tiêu chuẩn mật độ năng lượng cao. Chúng tôi chỉ sử dụng khoảng ~ 0,3 MJ mỗi xung. Nó có nghĩa là phần sưởi ấm của thí nghiệm, việc tạo ra vàng quá nhiệt, về nguyên tắc, có thể được sao chép bởi nhiều phòng thí nghiệm laser trên khắp thế giới.
Trắng:Nhưng đo nhiệt độ của những gì bạn tạo ra? Đó là phần khó khăn. Đối với điều này, bạn cần một băng thông Ultrabright, hẹp -, FemtoSecond x - Các tia chỉ có các cơ sở như LCL và một vài XFEL khác có thể cung cấp. Đó là những gì làm cho thí nghiệm này có thể.
LFW: Các điểm chính của thí nghiệm này là gì? Bất kỳ bất ngờ?
Nagler:Đối với chúng tôi và lĩnh vực của chúng tôi, điều quan trọng là bây giờ chúng tôi có một phương pháp trực tiếp, mô hình - để đo nhiệt độ ion ở trạng thái cực đoan của vật chất - đã là một thử thách dài-. Kỹ thuật mở ra cánh cửa để các phương trình điểm chuẩn của trạng thái, xác nhận các mô phỏng thủy động lực học và khám phá vật chất trong các chế độ trước đây ngoài tầm với thực nghiệm.
Trắng:Điều bất ngờ thực sự đến khi chúng tôi thấy chúng tôi có thể đẩy một cách vững chắc trước khi nó bị rối loạn. Chúng tôi dự kiến vàng sẽ tan chảy một khi nó vượt qua một ngưỡng nhất định - nhưng nó không. Mạng tinh thể được giữ với nhau ở nhiệt độ hơn 14 lần điểm nóng chảy - vượt xa những gì nhiệt động lực học tiêu chuẩn dự đoán. Đây là 'Aha!' Khoảnh khắc: Chúng ta không chỉ có thể lấy nhiệt độ, mà chính hệ thống đã bất chấp sự mong đợi. Khi làm như vậy, chúng tôi thấy mình không chỉ giải quyết được một thách thức chẩn đoán, mà còn phát hiện ra vật lý mới, đẩy các giới hạn của quá nhiệt và xem xét lại các giả định về thời điểm và cách chất rắn tan chảy trong điều kiện khắc nghiệt.
LFW: Cảm giác như thế nào khi từ chối một thập kỷ - Lý thuyết cũ?
Trắng:Đó là một cuộc đi sâu sâu vào vật lý của quá trình quá nhiệt, khám phá mức độ rắn chắc có thể được đẩy ra trước khi nó bị hỏng, và nhận ra rằng ngay cả - Các khái niệm được thiết lập cần suy nghĩ lại cẩn thận khi áp dụng cho các chế độ cực kỳ, không có cân bằng.
Nagler:Nó không quá nhiều về việc từ chối một thập kỷ - Lý thuyết cũ vì nó cho thấy rằng lý thuyết không nhất thiết phải áp dụng cho các trạng thái quá nhiệt - từ - trạng thái quá nhiệt cân bằng. Khung ban đầu giả định một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt, từ từ tiếp cận điểm nóng chảy, không phải một hệ thống bị nổ bởi xung laser femtosecond. Thay vì lật ngược lý thuyết hiện tại, điều này giống như bước ra ngoài phạm vi của nó.
LFW: Khám phá này có ý nghĩa gì đối với quá nhiệt?
Nagler:Nó cho thấy rằng vật chất quá nhiệt trong các trạng thái không cân bằng này có thể hoạt động hoàn toàn khác với bạn mong đợi để chạy nhiều hơn - của -
Trắng:Cuối cùng, nó mở lại câu hỏi liệu có giới hạn thực sự đối với quá nhiệt trong điều khiển mạnh mẽ, xa - từ - các hệ thống cân bằng hay không, hoặc liệu chất rắn có thể vượt quá những gì nhiệt động lực truyền thống dự đoán.
