Une équipe de chercheurs dirigée par Bob Nagler et Thomas White a récemment démontré une nouvelle méthode pour mesurer la température des atomes dans la matière chaude dense - en mesurant directement la vitesse des atomes.
Les matériaux possèdent tous des points de fusion et d'ébullition spécifiques, mais peuvent être surchauffés au-dessus d'eux jusqu'à ce qu'ils atteignent un niveau de "catastrophe" d'entropie de fusion et d'ébullition soudaine.
Lorsque l'équipe a surchauffé l'or solide bien au-delà de sa limite théorique à 19 000 Kelvins, il a survécu à la catastrophe d'entropie -, ce qui suggère qu'il peut ne pas y avoir de limite supérieure pour les matériaux surchauffés s'ils sont chauffés assez rapidement.
Monde de focus laser: À qui était l'idée de surchauffer l'or avec LCLS? Qu'est-ce qui l'a inspiré?
Bob Nagler: Lorsque nous avons décidé de faire l'expérience, notre objectif était de développer une nouvelle méthode pour mesurer la température de la matière dense chaude. Cette question est aussi dense qu'un solide, mais chauffé à des dizaines ou des centaines de milliers de degrés Kelvin. Vous le trouvez dans des noyaux de planète géants et des intérieurs stellaires, mais lorsque nous le recréons en laboratoire, la mesure de sa température est tristement difficile.
Nous avons lancé ce projet pour relever ce défi, en utilisant la source de rayons X - la plus brillante du monde, SLAC National Accelerator's Linac Coherent Light Source (LCLS), pour vous aider.
Thomas White:J'adorerais dire que c'était un flash loup seul - de brillance mais, en vérité, l'idée est sortie du long - debout des frustrations à travers le champ. Nous savions que nous avions besoin d'un meilleur diagnostic, et l'or a fait le matériau de test de l'idée: il diffuse des rayons x - et peut être facilement fabriqué dans les foils minces requis pour cette technique. Notre équipe de l'Université du Nevada, Reno, SLAC et d'autres partenaires s'attendait à ce que l'or se réchauffe sous irradiation, mais ce qui s'est démarqué, c'est à quel point le solide est resté chaud tout en maintenant sa structure cristalline. Même à ces températures extrêmes, le réseau d'or a persisté au-delà de la limite attendue de l'ordre structurel. Cette observation a déplacé l'objectif de notre projet. Ce qui a commencé comme un effort pratique pour construire un meilleur thermomètre a évolué vers une étude plus profonde de la surchauffe et des limites fondamentales des états solides - dans des conditions extrêmes.
LFW: Pourquoi LCLS?
Blanc:La méthode que nous avons développée repose sur la détection de minuscules changements dans la façon dont les rayons x - dispersent les atomes dans un matériau. Plus précisément, les petits changements d'énergie révèlent la température des ions. Il nécessite non seulement une source extraordinairement brillante des rayons x -, mais aussi une bande passante extrêmement étroite. Les lasers d'électrons libres - comme LCLS, et quelques autres tels que le XFEL européen, sont uniquement capables de livrer cette combinaison. Ils sont jusqu'à un milliard de fois plus brillants que n'importe quel synchrotron, ce qui est essentiel car la diffusion inélastique est incroyablement faible - sur l'ordre de quelques photons par coup.
Nagler:LCLS est essentiellement un kilomètre - long x - Ray Laser qui, pour cette expérience, agit également comme un thermomètre long kilomètre -. Sans cette combinaison de luminosité, de cohérence et de précision spectrale, cette mesure ne serait tout simplement pas possible.
LFW: Qu'implique votre expérience?
Nagler: Nous avons chauffé une feuille d'or ultrathin - seulement 50 - nm épais - en utilisant une fréquence - Ti: laser Sapphire doublé, nous donnant 400 - NM Laser d'onde avec des durées d'impulsion autour de 45 fs. Malgré les températures extrêmes que nous avons atteintes, le laser lui-même n'était pas particulièrement puissant selon des normes de densité à haute énergie. Nous avons utilisé seulement environ 0,3 MJ par impulsion. Cela signifie que la partie chauffante de l'expérience, la création de l'or surchauffé, pourrait, en principe, être reproduite par de nombreux laboratoires laser du monde entier.
Blanc:Mais mesurer la température de ce que vous créez? C'est la partie difficile. Pour cela, vous avez besoin de la bande passante ultrabright, étroite -, les rayons Femtosecond X - que seules des installations comme LCLS et quelques autres XFEL peuvent fournir. C'est ce qui a rendu cette expérience possible.
LFW: Quels sont les principaux plats à retenir de cette expérience? Des surprises?
Nagler:Pour nous et notre domaine, le principal point à retenir est que nous avons maintenant une méthode libre directe - pour mesurer les températures ioniques dans les états extrêmes de la matière - qui a été une longue énergie - en physique. La technique ouvre la porte aux équations d'état d'analyse comparative, validant les simulations hydrodynamiques et explorant la matière dans des régimes qui étaient auparavant hors de portée expérimentalement.
Blanc:La vraie surprise est venue lorsque nous avons vu à quel point nous pouvions pousser un solide avant qu'il ne céde au désordre. Nous nous attendions à ce que l'or fonde une fois qu'il franchit un certain seuil - mais ce n'est pas le cas. Le réseau cristallin maintient ensemble à des températures supérieures à 14x le point de fusion - bien au-delà de ce que la thermodynamique standard prédirait. C'était le "aha!" Moment: Non seulement nous pourrions prendre la température, mais le système lui-même a défié les attentes. Ce faisant, nous nous sommes retrouvés non seulement à résoudre un défi de diagnostic, mais aussi à découvrir une nouvelle physique, à repousser les limites du surchauffage et à revoir les hypothèses sur le moment et la façon dont les solides se fondent dans des conditions extrêmes.
LFW: Qu'est-ce que cela a ressenti de réfuter une vieille théorie -?
Blanc:Ce fut une plongée profonde amusante et fascinante dans la physique de la surchauffe, explorant jusqu'où un solide peut être poussé avant qu'il ne se décompose, et réalisant que même bien les concepts établis - ont besoin de repenser soigneusement lorsqu'ils sont appliqués à des régimes ultra-rapides et sans valeur.
Nagler:Il ne s'agissait pas tant de réfuter une ancienne théorie - car il montrait que la théorie ne s'applique pas nécessairement à Far - de - Équilibre des états surchauffés. Le cadre d'origine suppose un système en équilibre thermique, s'approchant lentement du point de fusion, pas un fossé par une impulsion laser fémtoseconde. Au lieu de renverser la théorie existante, cela ressemblait plus à sortir de son domaine.
LFW: Que signifie cette découverte pour la surchauffe?
Nagler:Il montre que la matière surchauffée dans ces états de non-quai peut se comporter tout à fait différemment de ce à quoi vous vous attendez pour plus d'exécution - de - le moulin - près de ces différences plus en détail.
Blanc:En fin de compte, il rouvre la question de savoir s'il y a une véritable limite à la surchauffe dans les systèmes d'équilibre {{0} {{0} -, ou si les solides peuvent bien persister bien au-delà de ce que prédit la thermodynamique traditionnelle.
