צוות חוקרים בהובלת בוב נגלר ותומס ווייט הדגים לאחרונה שיטה חדשה למדידת טמפרטורת האטומים בתוך חומר צפוף חם - על ידי מדידה ישירה של מהירות האטומים.
חומרים כולם בעלי נקודות התכה ורתיחה ספציפיות, אך ניתן לחמם אותם מעליהם עד שהם מגיעים לרמת "קטסטרופה" אנטרופית של התכה ורתיחה פתאומית.
כאשר הצוות התחמם על זהב מוצק הרבה מעבר לגבול התיאורטי שלו ל -19,000 קלווינים, הוא שרד את קטסטרופה האנטרופית - מה שמרמז כי יתכן שלא תהיה גבול עליון לחומרים מחוממים -על אם הם מחוממים מספיק מהר.
עולם מיקוד הלייזר: מי הרעיון היה זה לזהב מחממים עם LCLs? מה נתן השראה לזה?
בוב נגלר: כשיצאנו לבצע את הניסוי, המטרה שלנו הייתה לפתח שיטה חדשה למדידת הטמפרטורה של חומר צפוף חם. עניין זה צפוף כמו מוצק, אך מחומם לעשרות או מאות אלפי מעלות קלווין. אתה מוצא את זה בליבות ענקיות כוכב לכת ובפנים מהממים, אך כאשר אנו משחזרים אותו במעבדה, למעשה מדידת הטמפרטורה שלה קשה לשמצה.
השקנו את הפרויקט הזה כדי להתמודד עם אתגר זה, תוך שימוש ב- X - Ray Source המואר ביותר בעולם, מקור האור הקוהרנטי של SLAC National Accelerator (LCLS), כדי לעזור.
תומאס ווייט:אשמח לומר שזה היה בודד - זאב פלאש של הברקה, אך למען האמת, הרעיון יצא מארוך - תסכולים עומדים על פני המגרש. ידענו שאנחנו צריכים אבחון טוב יותר, וזהב הפך את חומר הבדיקה לרעיון: הוא מפעיל את קרני ה- X {}}} היטב וניתן להפוך אותו בקלות לסכל הדק הנדרש לטכניקה זו. הצוות שלנו באוניברסיטת נבדה, רינו, SLAC ושותפים אחרים ציפו שהזהב יחמם תחת הקרנה, אך מה שבלט היה כמה חם המוצק נשאר בזמן ששמר על המבנה הגבישי שלו. אפילו בטמפרטורות קיצוניות אלה, סריג הזהב נמשך מעבר לגבול הצפוי לסדר מבני. תצפית זו העבירה את מוקד הפרויקט שלנו. מה שהתחיל כמאמץ מעשי לבניית מדחום טוב יותר התפתח לחקירה עמוקה יותר של התחממות -על והגבולות הבסיסיים של חומר מצב מוצק {}}} בתנאים קיצוניים.
LFW: למה LCLS?
לָבָן:השיטה שפיתחנו מסתמכת על איתור שינויים זעירים באופן בו X - קרניים מפזרים אטומים בחומר. באופן ספציפי, משמרות אנרגיה קטנות חושפות את הטמפרטורה של היונים. זה דורש לא רק מקור בהיר במיוחד של X - קרניים, אלא גם רוחב פס צר במיוחד. חינם - לייזרי אלקטרונים כמו LCLs, וכמה אחרים כמו ה- Xfel האירופי, מסוגלים באופן ייחודי לספק שילוב זה. הם עד מיליארד פעמים בהירים יותר מכל סינכרוטרון, שהוא חיוני מכיוון שהפיזור הבלתי -אלסטי חלש להפליא - בסדר גודל של רק כמה פוטונים לצילום.
נגלר:LCLS הוא למעשה קילומטר - ארוך x - לייזר ריי כי עבור ניסוי זה פועל גם כקילומטר - מדחום ארוך. ללא שילוב זה של בהירות, קוהרנטיות ודיוק ספקטרלי, מדידה זו פשוט לא הייתה אפשרית.
LFW: מה היה כרוך הניסוי שלך?
נגלר: חיממנו סכל זהב אולטראטין - רק 50 - ננומטר עבה - באמצעות תדר - כפול Ti: לייזר ספיר, נותן לנו 400- נ.מ. למרות הטמפרטורות הקיצוניות אלינו הגענו, הלייזר עצמו לא היה חזק במיוחד בסטנדרטים של צפיפות אנרגיה גבוהה. השתמשנו רק בערך ~ 0.3 MJ לדופק. המשמעות היא שחלק החימום של הניסוי, יצירת זהב מחומם -על, ניתן לשכפל באופן עקרוני על ידי מעבדות לייזר רבות ברחבי העולם.
לָבָן:אבל מדידת הטמפרטורה של מה שאתה יוצר? זה החלק הקשה. לשם כך, אתה זקוק לרוחב הפס האולטרה -ברט, -, Femtosecond x - קרניים שרק מתקנים כמו LCLs וכמה XFELs אחרים יכולים לספק. זה מה שהאפשר את הניסוי הזה.
LFW: מהם הנסיעות העיקריות של הניסוי הזה? יש הפתעות?
נגלר:עבורנו ולתחום שלנו, הנסיגה העיקרית היא שיש לנו כעת שיטה ישירה, מודל {}}} חינם למדידת טמפרטורות יון במצבים קיצוניים של חומר - שהייתה אתגר ארוך {}}} עמידה גבוהה ב- אנרגיה - רופאים דפוסים. הטכניקה פותחת את הדלת למשוואות מידוד של המדינה, מאמתות הדמיות הידרודינמיות ובוחנת חומר במשטרים שהיו בעבר מחוץ להישג יד.
לָבָן:ההפתעה האמיתית הגיעה כשראינו עד כמה נוכל לדחוף מוצק לפני שהיא נכנעה לאי סדר. ציפינו שהזהב יימס ברגע שהוא חצה סף מסוים - אבל זה לא. סריג הקריסטל המוחזק יחד בטמפרטורות יותר מ- 14X נקודת ההיתוך - הרבה מעבר למה שתרמודינמיקה סטנדרטית הייתה מנבאת. זה היה 'אהה!' רגע: לא רק שנוכל לקחת את הטמפרטורה, אלא שהמערכת עצמה התריסה את הציפיות. בכך מצאנו את עצמנו לא רק פותר אתגר אבחוני, אלא גם חשוף פיזיקה חדשה, דוחף את גבולות ההתחממות -על, ובוחן את ההנחות לגבי מתי ואיך מוצקים נמסים בתנאים קיצוניים.
LFW: איך זה התחשק להפריך עשרות שנים - תיאוריה ישנה?
לָבָן:זה היה צלילה עמוקה מהנה ומרתקת בפיזיקה של התחממות -על, בחינת כמה רחוק ניתן לדחוף מוצק לפני שהוא מתפרק, ולהבין שאפילו - מושגים מבוססים זקוקים לחשיבה מחדש מדוקדקת כאשר הם מיושמים על משטרים Ultrafast, לא quilibrium.
נגלר:זה לא היה כל כך נוגע להפרת עשרות שנים - התיאוריה הישנה, שכן היא מראה כי התיאוריה לא בהכרח חלה על - מ- - מצבים מחוממים על שיווי משקל. המסגרת המקורית מניחה מערכת בשיווי משקל תרמי, המתקרבת לאט לאט לנקודת ההיתוך, אף אחת לא מפוצצת על ידי דופק לייזר femtosecond. במקום להפוך את התיאוריה הקיימת, זה היה יותר כמו צעד מחוץ לתחום שלה.
LFW: מה המשמעות של תגלית זו לחימום -על?
נגלר:זה מראה כי חומר מחומם -על במצבים אלה שאינם משולבים יכולים להתנהג בצורה שונה למדי מכפי שהייתם מצפים ליותר הפעלה - של - - טחנה ליד- מערכות שיווי משקל ומעניין יהיה לחקור את ההבדלים הללו בפרטים רבים יותר.
לָבָן:בסופו של דבר, זה פותח מחדש את השאלה האם יש גבול אמיתי לחימום -על מונע באופן אינטנסיבי, רחוק - מ- - מערכות שיווי משקל, או שמא מוצקים יכולים להתמיד הרבה מעבר למה שמנבא תרמודינמיקה מסורתית.
