ليزر الأشعة السينية يكشف عن رؤى جديدة في المادة الكثيفة الدافئة

دراسة جديدة تفصل استخدام ليزر الأشعة السينية لدراسة المادة الكثيفة الدافئة (WDM) أثارت حماس الكثيرين في القطاع. استخدم الباحثون الليزر الأوروبي XFEL لإجراء سلسلة من التجارب حول الحالة الغامضة للمادة. إليكم ما اكتشفوه.

حالة المادة الكثيفة الدافئة (WDM)

المصطلح “المادة الكثيفة الدافئة” يصف مجموعة معينة من المادة لا تندرج مباشرة ضمن فئات الفيزياء الحالية. تُعتبر المادة الكثيفة الدافئة من قبل الكثيرين ككتلة بناء أساسية في الكون، وفهمها سيمكن من الحصول على رؤية أعمق لتاريخ الوجود. ومن الجدير بالذكر أن الاعتراف بوجود هذه الحالة المادية لم يحدث إلا قبل عقدين من الزمن.

المادة الكثيفة الدافئة وفيرة في الكون. يمكن العثور على هذه الحالة الفريدة في الكواكب الغازية مثل المشتري وحتى في مركز النجوم القزمة البنية. الشيء الفريد في WDM هو أنها حالة بين البلازما والمرحلة المكثفة. وبالتالي، من الصعب جدًا إعادة إنشائها وتلعب دورًا حيويًا في الفيزياء الفلكية، علم الكواكب، والانشطار النووي.

كان الفهم الأولي لـ WDM واسعًا. كان يجمع بين ظواهر متعددة تتراوح درجات حرارتها بين عدة آلاف من الدرجة وكثافة عالية. خلال السنوات الخمس الأخيرة، تم توسيع التعريف ليشمل الأجرام السماوية ذات الكثافة بين 0.01 و 100 غ/سم³ ودرجة حرارة تتجاوز عدة آلاف من الكلفن (1-100 eV).

الطرق الحالية لمراقبة وإنشاء WDM

تم استخدام المعدات البصرية لمراقبة حالة المادة الكثيفة الدافئة في الماضي. ومع ذلك، كان هذا النهج محدودًا بقدرات المعدات. على وجه التحديد، لم تستطع الأجهزة تسجيل ومراقبة مستويات الطاقة عند الذروة بدقة.

طريقة أخرى تُستخدم حاليًا هي مطيافية انبعاث الأشعة السينية. تم اختراع هذه الطريقة قبل 12 عامًا كبديل خالٍ من الإلكترونات. في هذه الدراسة، يستخدم الباحثون ليزر الأشعة السينية الحرّة (XFELs) لتوليد نبضات أشعة سينية عالية الشدة تستمر لفيمتوثانية واحدة. ومن الجدير بالذكر أن ليزر الفيمتوثانية يرسل نبضات تمتد إلى ملايين من جزء المليار من الثانية.

مكّن إدخال ليزرات XFEL الموثوقة الباحثين من تعميق دراستهم لحالة WDM. على وجه التحديد، فحصوا التغير العابر والخصائص البصرية للمادة المعرضة لإشعاع ليزر الأشعة السينية. فتحت هذه الدراسات الباب أمام أنواع جديدة من ليزرات الأشعة السينية الحرة. لهذا البحث، استفاد الباحثون من القدرة على قياس التغيرات على مقاييس طول ذرية لتوثيق تحويل المادة الصلبة إلى حالة WDM بدقة باستخدام الليزر الأوروبي XFEL في هامبورغ.

ليزر XFEL الأوروبي

ليزر XFEL الأوروبي هو أحد عشر فقط من نوعه في التشغيل على مستوى العالم. تم بناء هذا الجهاز المتقدم بالتعاون مع مركز أبحاث DESY. يتميز بمنطقة اختبار بطول 2.1 ميل تمكّن الباحثين من مراقبة البنية الإلكترونية والأيونية للمادة أثناء تحولها.

دراسة المادة الكثيفة الدافئة

حتى الآن، لم تُجرَ العديد من الدراسات حول كيفية تأثير إشعاع الأنظمة الجديدة على حالات المادة بطريقة قابلة للتسجيل والمتابعة. وبالتالي، سعى الباحثون إلى تفصيل كيف يمكن للنبضات السريعة لليزر الأشعة السينية الحرة تحويل النحاس إلى مادة كثيفة دافئة. على وجه التحديد، يوضح الفريق استخدام مطيافية امتصاص الأشعة السينية على حافة L عبر نطاق واسع من شدة الإشعاع لتحويل الحالات.

اختبار المادة الكثيفة الدافئة

تم ضبط نبضات الليزر لتنفجر على عينات من النحاس المضيئة لمدة 15 فيمتوثانية. كرّر الباحثون هذه العملية عند شدة مختلفة لرؤية التأثير وكيفية تعديل كل تعديل لمعدل تحويل المادة. لاحظوا أن نبضة ليزر الأشعة السينية تخلق أيونية قوية.

أدت هذه الأيونية إلى توسع الإلكترونات في المادة مع ارتفاع درجات الحرارة. خلال ثوانٍ، تحولت المادة إلى WDM مؤيون. من هناك، أصبحت شفافة للأشعة السينية. هذا الانتقال من الامتصاص المشبع (SA) إلى الامتصاص العكسي المشبع (RSA) أثار اهتمام الباحثين.

دمج البيانات التجريبية مع المحاكاة

تم إجراء عملية الاختبار باستخدام جهاز الطيفية والتشتت المتماسك (SCS) في الليزر الأوروبي XFEL (EuXFEL). قدم هذا الموقع المكان المثالي للباحثين لإجراء التجارب وتسجيل النتائج بدقة. فحصوا بدقة مقدار الإشعاع الذي يمر عبر المادة بالإضافة إلى تغيرات الأيونية لديها.

المصدر – Nature

من الجدير بالذكر أن التجارب تطلبت تركيز طاقة نبضة XFEL عبر مرايا كيركباتريك–بايز. مكن هذا النهج الفريق من ضبط حجم الشعاع إلى 4 μm عرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM). تم قياس طاقة نبضة قدرها 2 mJ باستخدام جهازين لمراقبة غاز الأشعة السينية. تم وضع هذه الأجهزة على بعد 2.3 m أسفل نقطة التفاعل.

مرر الجهاز الليزر عبر شق دخول يبلغ 40 μm وشبكة ذات 1,200 خط لكل مم. كما تم إدخال كاميرا CCD مصغرة لمراقبة النحاس المثار بالأشعة السينية بشكل إضافي. من هناك، طبق الفريق معادلات بولتزمان الحركية مع امتدادات درجة الحرارة المحدودة لنظرية الكثافة الوظيفية الحقيقية (DFT) في الفضاء الحقيقي لتوليد بياناتهم النهائية. ثم استُخدمت نبضة XFEL بطول 15 فمتوثانية عبر حواف النحاس الاختبارية، حيث أظهرت القياسات أن الشدة يمكن أن تتضاعف.

برنامج BOLTZMANN SOLVER

محلول معادلة بولتزمان الحركية هو حزمة محاكاة مخصصة تمكّن من نمذجة إشعاع نبضة الأشعة السينية على المادة الضخمة. تم إنشاء البرنامج بواسطة البروفيسور Ziaja-Motyka في عام 2004 وكان له دور أساسي في أبحاث WDM حتى الآن. سمحت المحاكاة للمهندسين بمحاكاة تغيرات مستوى طاقة WDM مقابل شدة ليزر بديلة. قدم هذا البرنامج رؤى قيمة ووفر الوقت والمال والموارد.

XANES

تم دمج مطيافية امتصاص الأشعة السينية القريبة من الحافة (XANES) أيضًا في عملية الاختبار. راقبت هذه الوحدة حالة إلكترون التكافؤ والبنية الذرية أثناء التجربة. كانت مناسبة تمامًا للمهمة بفضل عرضها الطيفي الكامل، مما مكن الفريق من فهم المراحل الانتقالية للمادة بشكل أفضل.

النتائج

كشفت نتائج الاختبار عن بعض التفاصيل الرئيسية حول العملية. أولاً، هناك ارتباط مباشر بين شدة الأشعة السينية والأيونية. تتسبب هذه العملية في تغييرات جذرية في مستويات الطاقة نتيجة تصادمات الذرات في الحالة المثارة. كانت سرعة وشدة هذه التصادمات متناسبة مع مقدار الطاقة التي قدمتها نبضة الليزر.

ومن المثير للاهتمام أن الفريق لاحظ أنه عندما تكون شدة النبضة أقل من 10^15W cm−2، يمكن الحصول على ذروة امتصاص. زادوا تدريجيًا شدة الليزر حتى أظهر الجهاز الاختباري أن المادة أصبحت معتمة. عندما زادت الشدة أكثر، أصبحت المادة شفافة لنبضة الليزر. وبالتالي، توضح الدراسة أنه عند مستوى طاقة عالي معين لا يمكن للمادة الكثيفة الدافئة امتصاص الأشعة السينية.

الفوائد

هناك عدة فوائد يجلبها هذا البحث إلى السوق. يوفر النظام الجديد فهمًا أعمق لـ WDM، وكيفية تكوينها، وإمكاناتها تحت مستويات طاقة معينة. تساعد البيانات التي قدمها الباحثون علماء الفلك والمهندسين النوويين على فهم أفضل لكيفية استفادة هذا الحالة المادية من العالم.

يفتح فهم الديناميكا الحرارية لـ WDM الباب أمام إمكانيات جديدة. تمكّن هذه التقنية من مواد أقوى وإجراءات اختبار محسنة. ستسمح هذه الخطوات للبشر بإنشاء مركبات فضائية أقوى وأكثر دوامًا يمكنها توليد الطاقة باستخدام طرق اندماج جديدة.

الباحثون

أُجري البحث في معهد الفيزياء النووية بالأكاديمية البولندية للعلوم (IFJ PAN) في كراكوف. كانت نينا روهرينجر الباحثة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، شارك البروفيسور بيتا زياجا-موتيكا والدكتور لوران ميركادييه من الليزر الأوروبي XFEL في الدراسة التي تم تمويلها جزئيًا من قبل معهد الفيزياء النووية بالأكاديمية البولندية للعلوم.

الشركات التي قد تستفيد من هذه الدراسة

تقع عدة شركات في موقع يمكنها الاستفادة من هذا البحث، بدءًا من الشركات الجوية إلى تلك التي تعمل على طرق اندماج جديدة، وهناك فرص جديدة متاحة. يمكن لهذه الدراسة أن تساعد في تحسين العروض الحالية وتعزيز المنتجات في المستقبل. وبالتالي، تحتل هذه الشركات مراكز حيوية في أسواقها وتُعتبر استثمارات إيجابية للمتداولين.

1. Exelon Corporation

(EXC )

دخلت شركة Exelon Corporation السوق في عام 2020 بعد اندماج شركتين طاقة بارزتين، PECO و Unicom. الشركة هي واحدة من أكبر موردي الطاقة في شمال أمريكا ومقرها في شيكاغو، إلينوي. إنها شركة من فورتشن 500 وتُعرف كواحدة من أكبر وأنجح المزودين في السوق. كما أنها تركز بشدة على المجتمع، حيث يضمّ أكثر من 20 ألف موظف مكرسين لتطوير القوى العاملة وتعزيز التواصل المجتمعي.

Exelon هي سهم ذكي لإضافته إلى محفظتك. تمتلك الشركة ست شركات مرافق منظمة وتتحكم بأكثر من 101 مليار دولار من الأصول. بالإضافة إلى ذلك، لديها 21 مفاعلًا نوويًا نشطًا عبر 12 محطة طاقة في الولايات المتحدة. كل هذه العوامل تجعل Exelon رائدة في السوق وإضافة حكيمة إلى محفظتك.

2. Lockheed Martin

(LMT )

دخلت Lockheed Martin السوق رسميًا بعد اندماج Lockheed و Martin Marietta في الخمسينات. الشركة رائدة في قطاعات الديناميكا الهوائية، العسكرية، القيادة، الدوارة، والفضاء. وبالتالي، هي في موقع فريد للاستفادة فورًا من جهود الباحثين.

تتحمل Lockheed مسؤولية بعض أكثر الطائرات أيقونية التي حلّقت في السماء. كما لديها حصة كبيرة في صناعة الدفاع الأمريكية حيث تُعرف بطيرانها المتقدم عالي التقنية. يمكن أن يحسن فهم أفضل لـ WDM عروضها بطرق متعددة. على سبيل المثال، قد يفتح ذلك الباب أمام أنظمة دفع جديدة. كما سيسمح للمهندسين بنمذجة طائرات أكثر فعالية باستخدام عمليات ونماذج جديدة.

من الجدير بالذكر أن Lockheed Martin جزء ضخم من المجمع الصناعي الأمريكي. توظّف حاليًا أكثر من 122 ألف شخص عالميًا وتملك أكثر من 350 مرفقًا. هذه العوامل، إلى جانب الطلب المتزايد على منتجاتها بعد مخاوف مراقبة الجودة من بوينغ، جعلت Lockheed Martin إضافة حكيمة إلى محفظتك.

مستقبل أبحاث وتطبيقات WDM

يمكنك توقع أن تُستَخدم البيانات التي جُمعت من هذه الدراسة على الفور عبر صناعات متعددة. ستساعد النماذج التي تم إنشاؤها الباحثين على تعزيز مجالات تشكيل نبضات الأشعة السينية، مما سيحسن قدرات المراقبة بشكل كبير ويوفر لمحة عن ما كان يومًا غير مرئي للباحثين.

درع حراري معدني للمركبات الفضائية

أحد المواقع التي تتواجد فيها WDM هو عندما يدخل المركبة الفضائية غلاف الأرض الجوي. كلما أعادت المركبة دخول الغلاف الجوي، ترتفع درجة الحرارة والإشعاع إلى مستوى يخلق WDM. سيساعد البحث المقدم في الدراسة المهندسين على إنشاء دروع حرارية للمركبات الفضائية أكثر كفاءة وقوة يمكنها تفريق طاقة WDM بأمان.

الاندماج النووي المتحكم فيه (ICF – الاندماج بالاحتجاز القسري)

حلم الباحثون منذ زمن طويل بالاندماج النووي منخفض التكلفة. تقرب هذه الأبحاث العالم خطوة واحدة نحو فهم وتحقيق هذا الهدف. قدم الفريق أدلة قوية وطرقًا جديدة تمكّن الباحثين المستقبليين من مراقبة التغيرات الذرية بدقة لإنشاء نماذج اندماج أكثر فعالية. وبالتالي، قد يؤدي هذا البحث يومًا ما إلى طاقة نظيفة للجميع.

المزيد من الأبحاث ضروري

أثارت الدراسة اهتمامًا في استغلال قدرات WDM. حاليًا، يمكن العثور على المادة في نجوم صغيرة، كواكب، أقزام، تفاعلات حزم الجسيمات، تبخر المعادن، وتفاعل الليزر المكثف. قد تكشف هذه الطريقة الجديدة عن مواقع إضافية حيث توجد هذه المادة التي تبني الكون. وبالتالي، يستعد الباحثون لمزيد من الاختبارات في الأسابيع القادمة بينما تخضع نتائجهم للمراجعة من قبل الأقران.

المادة الكثيفة الدافئة (WDM) – ما زال هناك الكثير لتعلمه

من المدهش أن نفكر أن الباحثين بدأوا الآن فقط يدركون كيف تعمل WDM. هذه الحالة المادية الشائعة هي في صميم الوجود، وكلما زاد فهم الناس لها، كلما أصبح واضحًا أنها قد تفتح مصادر طاقة تتجاوز بأضعاف ما هو مستخدم حاليًا. وبالتالي، يستحق هؤلاء الباحثون تحية لتسليط الضوء على أحد أقدم أسرار الكون.

تعرف على مشاريع فضائية أخرى الآن.