Ett team av forskare under ledning av Bob Nagler och Thomas White demonstrerade nyligen en ny metod för att mäta temperaturen på atomer inom varmt tätt material - genom att direkt mäta hastigheten på atomerna.
Material har alla specifika smält- och kokpunkter, men kan överhettas ovanför dem tills de når en entropi "katastrof" -nivå av plötslig smältning och kokning.
När teamet överhettade fast guld långt bortom dess teoretiska gräns till 19 000 kelvins överlevde det entropikatastrofen - vilket antyder att det kanske inte finns en övre gräns för överhettade material om de är tillräckligt snabbt.
Laserfokusvärld: Vems idé var det till överhettning av guld med LCL: er? Vad inspirerade det?
Bob nagler: När vi avsåg att göra experimentet var vårt mål att utveckla en ny metod för att mäta temperaturen på varm tät materia. Denna fråga är lika tät som en solid, men uppvärmd till tiotals eller hundratusentals grader Kelvin. Du hittar det i jätteplanetkärnor och stellar interiörer, men när vi återskapar det i labbet är det faktiskt svårt att mäta temperaturen.
Vi lanserade detta projekt för att hantera denna utmaning med hjälp av världens ljusaste X - Ray Source, SLAC National Accelerator's LINAC Coherent Light Source (LCLS), för att hjälpa.
Thomas White:Jag skulle gärna säga att det var en ensam - vargblixt av glans, men i själva verket kom idén ut från lång - stående frustrationer över fältet. Vi visste att vi behövde en bättre diagnostik, och guld gjorde idétestmaterialet: det sprider x - strålar bra och kan enkelt göras till de tunna folierna som krävs för denna teknik. Vårt team vid University of Nevada, Reno, SLAC och andra partners förväntade sig att guldet skulle värmas upp under bestrålning, men det som stod ut var hur varmt det fasta ämnet förblev medan de bibehöll sin kristallina struktur. Även vid dessa extrema temperaturer fortsatte guldgitteret utöver den förväntade gränsen för strukturell ordning. Denna observation skiftade fokus för vårt projekt. Det som började som en praktisk ansträngning för att bygga en bättre termometer utvecklades till en djupare undersökning av överhettning och de grundläggande gränserna för fast - tillståndsämnen under extrema förhållanden.
Lfw: Varför LCLS?
Vit:Metoden som vi utvecklade förlitar sig på att upptäcka små förändringar i hur x - strålar sprids av atomer i ett material. Specifikt avslöjar små energiförändringar temperaturen på jonerna. Det kräver inte bara en utomordentligt ljus källa till x - strålar, utan också extremt smal bandbredd. Gratis - elektronlasrar som LCLS, och några andra som European Xfel, är unikt kapabla att leverera denna kombination. De är upp till en miljard gånger ljusare än någon synkrotron, vilket är viktigt eftersom den inelastiska spridningen är oerhört svag - i storleksordningen bara några fotoner per skott.
Fogar:LCLS är i huvudsak en kilometer - lång x - Ray Laser som för detta experiment också fungerar som en kilometer - lång termometer. Utan denna kombination av ljusstyrka, koherens och spektral precision skulle denna mätning helt enkelt inte vara möjlig.
Lfw: Vad involverade ditt experiment?
Fogar: Vi uppvärmde en ultratin guldfolie - bara 50 - nm tjock - med en frekvens - fördubblat ti: safirlaser, vilket ger oss 400- nm våglängd med puls runt 45 frakt. Trots de extrema temperaturerna vi nådde var lasern i sig inte särskilt kraftfull genom högenergi-täthetsstandarder. Vi använde bara cirka ~ 0,3 MJ per puls. Det betyder att uppvärmningsdelen av experimentet, skapandet av överhettat guld, i princip skulle kunna reproduceras av många laserlabor runt om i världen.
Vit:Men mäta temperaturen på det du skapar? Det är den svåra delen. För detta behöver du de ultraBright, smala - bandbredd, femtosekund x - strålar som bara anläggningar som LCL och några andra XFEL kan tillhandahålla. Det är det som gjorde detta experiment möjligt.
Lfw: Vilka är de viktigaste takeaways i detta experiment? Några överraskningar?
Fogar:För oss och vårt område är den stora takeaway att vi nu har en direkt, modell - gratis metod för att mäta jontemperaturer i extrema tillstånd av materia - som har varit en lång - stående utmaning i hög - energi - densitet. Tekniken öppnar dörren till benchmarking -ekvationer, validerar hydrodynamiska simuleringar och utforskar materien inom regimer som tidigare var utom räckhåll.
Vit:Den verkliga överraskningen kom när vi såg hur långt vi kunde pressa ett solid innan det gav efter för att stör. Vi förväntade oss att guldet skulle smälta när det passerade en viss tröskel - men det gjorde det inte. Kristallgitteret hålls samman vid temperaturer mer än 14x smältpunkten - långt utöver vad standard termodynamik skulle förutsäga. Detta var 'aha!' Moment: Vi kunde inte bara ta temperaturen, utan själva systemet trotsade förväntningarna. På så sätt befann vi oss inte bara lösa en diagnostisk utmaning, utan också avslöja ny fysik, driva gränserna för överhettning och se över antaganden om när och hur fasta ämnen smälter under extrema förhållanden.
Lfw: Hur kändes det att motbevisa ett decennium - gammal teori?
Vit:Det var ett roligt och fascinerande djupt dyk in i fysiken för superhetning, utforska hur långt ett fast ämne kan pressas innan det bryts ned och inser att även väl- etablerade koncept behöver noggrant omprövning när de tillämpas på ultrafast, ingenquilibrium -regimer.
Fogar:Det handlade inte så mycket om att motbevisa ett decennium - gammal teori eftersom det visade att teorin inte nödvändigtvis gäller långt - från - jämviktsöverskådda tillstånd. Det ursprungliga ramverket antar ett system i termisk jämvikt, som långsamt närmar sig smältpunkten, inte en som sprängs av en femtosekund laserpuls. Istället för att vända befintlig teori var detta mer som att kliva utanför dess domän.
Lfw: Vad betyder denna upptäckt för överhettning?
Fogar:Det visar att överhettat material i dessa icke -kvilibriumstillstånd kan bete sig helt annorlunda än du kan förvänta dig för mer körning - av - - MILL NÄR - Equilibrium -system och det skulle vara intressant att utforska dessa skillnader mer detaljerat.
Vit:I slutändan öppnar det frågan om det finns en verklig gräns för överhettning i intensivt driven, långt - från - jämviktssystem, eller om fasta ämnen kan kvarstå långt utöver vad traditionell termodynamik förutspår.
