Un equipo de investigadores dirigido por Bob Nagler y Thomas White demostró recientemente un nuevo método para medir la temperatura de los átomos dentro de la materia cálida densa - midiendo directamente la velocidad de los átomos.
Todos los materiales poseen puntos específicos de fusión y ebullición, pero pueden sobrecalentarse por encima de ellos hasta que alcancen un nivel de "catástrofe" de entropía de fusión y ebullición repentina.
Cuando el equipo sobrecalentó el oro sólido mucho más allá de su límite teórico a 19,000 kelvins, sobrevivió a la catástrofe de entropía - que sugiere que puede no haber un límite superior para materiales sobrecalentados si se calientan lo suficientemente rápido.
Láser Focus World: ¿De quién era la idea de sobrecalentar oro con LCLS? ¿Qué lo inspiró?
Bob Nagler: Cuando nos propusimos hacer el experimento, nuestro objetivo era desarrollar un nuevo método para medir la temperatura de la materia cálida densa. Este asunto es tan denso como un sólido, pero calentado a decenas o cientos de miles de grados Kelvin. Lo encuentras en núcleos de planeta gigante e interiores estelares, pero cuando lo recreamos en el laboratorio, en realidad midir su temperatura es infamemente difícil.
Lanzamos este proyecto para abordar este desafío, utilizando la fuente de rayos X -} más brillante del mundo, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Fuente (LCLS), para ayudar.
Thomas White:Me encantaría decir que fue un solitario - Wolf Flash of Brilliance, pero, en verdad, la idea salió de mucho tiempo - frustraciones permanentes en todo el campo. Sabíamos que necesitábamos un mejor diagnóstico, y el oro hizo el material de prueba de ideas: dispersas x - bien y se pueden hacer fácilmente en las alas delgadas requeridas para esta técnica. Nuestro equipo en la Universidad de Nevada, Reno, SLAC y otros socios esperaban que el oro se calentara bajo irradiación, pero lo que se destacó fue cuán caliente se mantuvo el sólido mientras mantenía su estructura cristalina. Incluso a estas temperaturas extremas, la red de oro persistió más allá del límite esperado para el orden estructural. Esta observación cambió el enfoque de nuestro proyecto. Lo que comenzó como un esfuerzo práctico para construir un mejor termómetro se convirtió en una investigación más profunda de sobrecalentamiento y los límites fundamentales de sólidos -} son importantes en condiciones extremas.
LFW: ¿Por qué LCLS?
Blanco:El método que desarrollamos se basa en detectar pequeños cambios en cómo x - Los rayos dispersan los átomos en un material. Específicamente, los pequeños cambios de energía revelan la temperatura de los iones. Requiere no solo una fuente extraordinariamente brillante de rayos x -, sino también ancho de banda extremadamente estrecho. Los láseres de electrones - gratuitos como LCLS, y algunos otros, como el XFEL europeo, son exclusivamente capaces de entregar esta combinación. Son hasta mil millones de veces más brillantes que cualquier sincrotrón, lo cual es esencial porque la dispersión inelástica es increíblemente débil - en el orden de unos pocos fotones por disparo.
Nagler:LCLS es esencialmente un kilómetro - largo x - láser de rayos que, para este experimento, también actúa como un termómetro de larga kilómetro - largo. Sin esta combinación de brillo, coherencia y precisión espectral, esta medición simplemente no sería posible.
LFW: ¿Qué implicó tu experimento?
Nagler: Calentamos una lámina de oro ultrafina - solo 50 - nm de espesor - usando una frecuencia - duplicada de Ti: Sapphire láser, dándonos 400 - luz de longitud de onda nm con duraciones de pulsos alrededor de 45 FS. A pesar de las temperaturas extremas que alcanzamos, el láser en sí no era especialmente poderoso para los estándares de alta densidad de energía. Usamos solo alrededor de ~ 0.3 mJ por pulso. Significa que la parte de calentamiento del experimento, la creación de oro sobrecalentado, podría, en principio, ser reproducida por muchos laboratorios láser en todo el mundo.
Blanco:¿Pero medir la temperatura de lo que crea? Es la parte difícil. Para esto, necesita los rayos ultrabright, estrecho - de banda, femtosegundo x - que solo pueden proporcionar instalaciones como LCLS y algunos otros XFELS. Es lo que hizo posible este experimento.
LFW: ¿Cuáles son las conclusiones clave de este experimento? ¿Alguna sorpresa?
Nagler:Para nosotros y nuestro campo, la conclusión principal es que ahora tenemos un método directo, modelo - libre para medir las temperaturas iones en estados extremos de la materia - que ha sido una larga- desafío de pie en alta -} energía - física de densidad. La técnica abre la puerta a las ecuaciones de benchmarking de estado, validando simulaciones hidrodinámicas y explorando la materia dentro de los regímenes que anteriormente estaban fuera del alcance experimentalmente.
Blanco:La verdadera sorpresa se produjo cuando vimos cuán lejos podríamos empujar un sólido antes de ceder ante el desorden. Esperábamos que el oro se derretiera una vez que cruzó un cierto umbral - pero no lo hizo. La red de cristal se mantuvo unida a temperaturas más de 14 veces el punto de fusión - mucho más allá de lo que predeciría la termodinámica estándar. Este era el 'Ajá!' Momento: No solo podríamos tomar la temperatura, sino que el sistema mismo desafió las expectativas. Al hacerlo, nos encontramos no solo resolviendo un desafío de diagnóstico, sino también descubriendo una nueva física, superando los límites de la sobrecalentamiento y la revisión de los supuestos sobre cuándo y cómo los sólidos se derriten en condiciones extremas.
LFW: ¿Qué se sintió refutar una teoría antigua - antigua?
Blanco:Fue una inmersión profunda divertida y fascinante en la física del sobrecalentamiento, explorando hasta qué punto se puede empujar un sólido antes de que se descomponga, y al darse cuenta de que incluso bien - los conceptos establecidos necesitan un retiro cuidadoso cuando se aplica a los regímenes ultrafast y de no equilibrio.
Nagler:No se trataba tanto de refutar una década - antigua teoría, ya que mostraba que la teoría no necesariamente se aplica a FAR - de - Estados sobrecalentados de equilibrio. El marco original supone un sistema en el equilibrio térmico, acercándose lentamente al punto de fusión, no uno destrozado por un pulso láser de femtosegundos. En lugar de anular la teoría existente, esto era más como salir de su dominio.
LFW: ¿Qué significa este descubrimiento para sobrecalentar?
Nagler:Muestra que la materia sobrecalentada en estos estados de no equilibrio puede comportarse de manera muy diferente de lo que cabría esperar para más ejecución - de - el molino - cerca de - sistemas de equilibrio y sería interesante explorar estas diferencias con más detalles.
Blanco:En última instancia, vuelve a abrir la cuestión de si existe un límite verdadero para sobrecalentarse en los sistemas de equilibrio intensamente impulsados, lejos - de - de equilibrio, o si los sólidos pueden persistir mucho más allá de lo que predice la termodinámica tradicional.
