Uma equipe de pesquisadores liderados por Bob Nagler e Thomas White demonstrou recentemente um novo método para medir a temperatura dos átomos dentro de uma densa matéria quente - medindo diretamente a velocidade dos átomos.
Todos os materiais possuem pontos de fusão e ebulição específicos, mas podem ser superaquecidos acima deles até atingirem uma entropia "catástrofe" de derretimento e fervura repentina.
Quando a equipe supera o ouro sólido muito além de seu limite teórico para 19.000 kelvins, sobreviveu à catástrofe da entropia -, o que sugere que pode não haver um limite superior para materiais superaquecidos se forem aquecidos rapidamente.
Mundo do foco a laser: De quem foi a idéia de superaquecer ouro com LCLs? O que o inspirou?
Bob Nagler: Quando decidimos fazer o experimento, nosso objetivo era desenvolver um novo método para medir a temperatura da matéria densa quente. Este assunto é tão denso quanto um sólido, mas aquecido a dezenas ou centenas de milhares de graus Kelvin. Você o encontra em núcleos gigantes do planeta e interiores estelares, mas quando o recriamos no laboratório, medindo sua temperatura é infamemente difícil.
Lançamos este projeto para enfrentar esse desafio, usando a fonte de raio X - mais brilhante do mundo, a fonte de luz coerente de Linac (LCLS) do SLAC National Accelerator (LCLS), para ajudar.
Thomas White:Eu adoraria dizer que era um lobo solitário - lobo do brilho, mas, na verdade, a idéia surgiu de longa - frustrações em todo o campo. Sabíamos que precisávamos de um diagnóstico melhor, e o ouro criou o material de teste da ideia: espalhe x - raios bem e pode ser facilmente transformado nas folhas finas necessárias para esta técnica. Nossa equipe da Universidade de Nevada, Reno, Slac e outros parceiros esperava que o ouro aquecesse sob irradiação, mas o que se destacou foi o quão quente o sólido permaneceu enquanto mantinha sua estrutura cristalina. Mesmo nessas temperaturas extremas, a treliça de ouro persistiu além do limite esperado para a ordem estrutural. Esta observação mudou o foco do nosso projeto. O que começou como um esforço prático para construir um termômetro melhor evoluiu para uma investigação mais profunda do superaquecimento e os limites fundamentais do sólido -} estado de estado em condições extremas.
LFW: Por que LCLS?
Branco:O método que desenvolvemos depende da detecção de pequenas alterações na forma como os raios x - espalham átomos em um material. Especificamente, pequenas mudanças de energia revelam a temperatura dos íons. Requer não apenas uma fonte extraordinariamente brilhante de raios X -, mas também largura de banda extremamente estreita. Lasers de elétrons gratuitos - como LCLs, e alguns outros, como o XFEL europeu, são capazes de fornecer essa combinação. Eles são até um bilhão de vezes mais brilhante que qualquer síncrotron, o que é essencial porque a dispersão inelástica é incrivelmente fraca - na ordem de apenas alguns fótons por tiro.
Nagler:LCLS é essencialmente um quilômetro - longo x - laser de raio que, para este experimento, também atua como um quilômetro - termômetro longo. Sem essa combinação de brilho, coerência e precisão espectral, essa medição simplesmente não seria possível.
LFW: O que seu experimento envolveu?
Nagler: Aquecemos uma folha de ouro ultrafina - apenas 50 - nm espessura - usando uma frequência - dobrou Ti: safira laser, dando -nos 400 - nm Light Laser em torno de 45 Fest. Apesar das temperaturas extremas que alcançamos, o laser em si não foi especialmente poderoso pelos padrões de alta densidade de energia. Usamos apenas cerca de ~ 0,3 mj por pulso. Isso significa que a parte de aquecimento do experimento, a criação de ouro superaquecido, poderia, em princípio, ser reproduzido por muitos laboratórios a laser em todo o mundo.
Branco:Mas medir a temperatura do que você cria? É a parte difícil. Para isso, você precisa do Ultrabright, estreito - largura de banda, femtossegundos x - raios que apenas instalações como LCLs e alguns outros Xfels podem fornecer. É o que tornou esse experimento possível.
LFW: Quais são as principais conclusões deste experimento? Alguma surpresa?
Nagler:Para nós e nosso campo, o principal takeaway é que agora temos um método livre direto - livre para medir as temperaturas de íons em estados extremos da matéria -, que tem sido uma longa - {- -}} DSNOSSTICS. A técnica abre as portas para as equações de benchmarking de estado, validar simulações hidrodinâmicas e explorar a matéria dentro de regimes que estavam fora de alcance experimentalmente.
Branco:A verdadeira surpresa veio quando vimos o quão longe poderíamos empurrar um sólido antes de ceder à desordem. Esperávamos que o ouro derreteu uma vez que cruzasse um certo limite -, mas não o fez. A treliça de cristal mantida unida em temperaturas mais de 14x o ponto de fusão - muito além do que a termodinâmica padrão preveria. Este foi o 'aha!' Momento: não apenas poderíamos tomar a temperatura, mas o próprio sistema desafiou as expectativas. Ao fazer isso, nos encontramos não apenas resolvendo um desafio diagnóstico, mas também descobrindo nova física, empurrando os limites do superaquecimento e revisitando suposições sobre quando e como os sólidos se fundem sob condições extremas.
LFW: Como era refutar uma década - teoria antiga?
Branco:Foi um mergulho profundo e divertido e fascinante na física do superaquecimento, explorando até que ponto um sólido pode ser empurrado antes de quebrar, e percebendo que mesmo bem - conceitos estabelecidos precisam de repensar cuidadosamente quando aplicados em regimes ultra -rápidos e não quadrados.
Nagler:Não se tratava de refutar uma década - teoria antiga, pois estava mostrando que a teoria não se aplica necessariamente a Far - de - estados de equilíbrio superaquecidos. A estrutura original assume um sistema em equilíbrio térmico, aproximando -se lentamente do ponto de fusão, e não explodiu por um pulso de laser de femtossegundos. Em vez de derrubar a teoria existente, isso era mais como sair de seu domínio.
LFW: O que essa descoberta significa para superaquecer?
Nagler:Ele mostra que a matéria superaquecida nesses estados não -quilíbrios pode se comportar de maneira bastante diferente do que você esperaria para mais execução - de - o - moinho próximo a - sistemas de equilíbrio e seria interessante explorar essas diferenças mais detalhadas.
Branco:Por fim, reabre a questão de saber se há um limite verdadeiro para superaquecer em intensamente conduzido, distante - de - sistemas de equilíbrio, ou se os sólidos podem persistir muito além do que a termodinâmica tradicional prevê.
