Røntgenlaser afslører ny indsigt i varm tæt materie

A new study detailing the use of X-ray lasers to study Warm Dense Matter (WDM) has many in the sector excited. The researchers utilized the European XFEL to conduct a series of experiments surrounding the mysterious state of matter. Here’s what they discovered.

Varm Tæt Materie (WDM) Tilstand

Begrebet “Warm Dense Matter” beskriver et specifikt sæt af stof, der ikke falder direkte ind i de nuværende fysiske kategorier. Varm tæt materie betragtes af mange som en afgørende byggesten i universet, og forståelse af den ville give dybere indsigt i eksistensens historie. Bemærkelsesværdigt blev denne materialetilstand først anerkendt for to årtier siden.

Varm tæt materie er udbredt i universet. Denne unikke tilstand kan findes på gasplaneter som Jupiter og endda i centrum af brune dværgstjerner. Det unikke ved WDM er, at det er en tilstand mellem plasma og en kondenseret fase. Som sådan er det ekstremt svært at genskabe og spiller en vital rolle i astrofysik, planetvidenskab og kernespaltning.

Den oprindelige forståelse af WDM var bred. Den samlede flere fænomener med temperaturer fra nogle tusinde grader til høj densitet. I løbet af de sidste 5 år er definitionen blevet udvidet til at omfatte himmellegemer med en densitet mellem 0,01 og 100 g/cm³ og en temperatur, der overstiger flere tusinde kelvin (1-100 eV).

Nuværende Metoder til Overvågning og Skabelse af WDM

Optisk udstyr er blevet brugt til at observere den varme tætte materietilstand i fortiden. Denne tilgang var dog begrænset af udstyrets kapaciteter. Specifikt kunne enheden ikke registrere og nøjagtigt overvåge energiniveauerne ved top.

En anden metode, der i øjeblikket anvendes, er røntgenemissionsspektroskopi. Denne tilgang blev opfundet for 12 år siden som et elektronfrit alternativ. I denne undersøgelse anvender forskerne røntgenfri-elektronlasere (XFEL’er) til at generere højintensive røntgenpulser, der varer en enkelt femtosekund. Bemærk, at en femtosekundlaser sender pulser, der spænder over milliondele af en milliardtedel af et sekund.

Introduktionen af pålidelige XFEL-lasere gjorde det muligt for forskerne at udvide deres studier af WDM-tilstanden. Specifikt undersøgte de den transiente ændring og de optiske egenskaber af stof udsat for laser‑røntgenbestråling. Disse studier har åbnet døren for nye typer af røntgenfri-elektronlasere. Til denne undersøgelse udnyttede forskerne evnen til at måle ændringer på atomisk længdeskala for nøjagtigt at dokumentere omdannelsen af fast stof til WDM-tilstand ved hjælp af den europæiske XFEL i Hamborg.

Europæisk XFEL Laser

Den europæiske XFEL-laser er en af kun et dusin XFEL’er i drift globalt. Denne avancerede enhed blev konstrueret i samarbejde med forskningscentret DESY. Den har et 2,1 mil lang testområde, der gør det muligt for forskerne at overvåge den elektroniske og ioniske struktur af stof, mens det konverteres.

Warm Dense Matter Studie

Indtil nu har der ikke været mange studier af, hvordan disse nye systemers bestråling kan ændre stoftilstande på en registrerbar og sporbar måde. Som sådan søgte forskerne at detaljere hvordan brugen af ultrahurtige røntgenfri-elektronlaserpulser kan omdanne kobber til varm tæt materie. Specifikt beskriver teamet brugen af L-edge røntgenabsorptionsspektroskopi over et stort bestrålingsintensitetsområde for at omdanne tilstande.

Test af varm tæt materie

Laserpulserne blev indstillet til at pulserende bestråle belyste kobberprøver i 15 femtosekunder. Forskerne gentog denne proces ved forskellige intensiteter for at se effekten og hvordan hver justering påvirkede stofomdannelseshastigheden. De bemærkede, at røntgenlaserpulsen skabte stærk ionisering.
Denne ionisering resulterede i, at elektroner udvidede stoffet, efterhånden som temperaturerne steg. Inden for sekunder blev stoffet omdannet til ioniseret WDM. Derfra blev det gennemsigtigt for røntgen. Denne overgang fra mættende absorption (SA) til omvendt mættende absorption (RSA) vakte forskernes interesse.

Blanding af Eksperimentelle Data med Simulationer

Testprocessen blev udført ved hjælp af Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS)-instrumentet på den europæiske XFEL (EuXFEL). Dette sted gav det perfekte miljø for forskerne til at udføre eksperimenter og omhyggeligt registrere resultaterne. De undersøgte præcist, hvor meget stråling der passerede gennem stoffet samt dets ioniseringsændringer.

Kilde – Nature

Bemærkelsesværdigt krævede eksperimenterne, at XFEL-pulsen fokuseredes gennem Kirkpatrick–Báez spejle. Denne tilgang gjorde det muligt for teamet at sætte strålebredde til 4 μm fuld bredde ved halvt maksimum (FWHM). En pulserenergi på 2 mJ blev målt med to røntgen-gasmonitorer. Disse enheder var placeret 2,3 m nedstrøms fra interaktionspunktet.

Enheden førte laserstrålen gennem en indgangsslids på 40 μm og et gitter med 1.200 linjer pr. mm. Et miniature CCD-kamera blev også introduceret for yderligere at overvåge det røntgenexciterede kobber. Derfra anvendte teamet kinetiske Boltzmann‑ligninger med temperaturudvidelser af DFT i realrum‑densitetsfunktionel teori for at realisere deres endelige data. En 15‑fs‑lang XFEL-puls blev derefter brugt på testkobberkanterne, hvor målinger viste, at intensiteten kunne fordobles.

BOLTZMANN SOLVER Software

Boltzmann-kinetisk ligningsløser er en speciallavet simuleringssoftwarepakke, der muliggør modellering af røntgenpulsernes bestråling på bulkmateriale. Programmet blev skabt af Prof. Ziaja-Motyka i 2004 og har indtil nu været afgørende for WDM-forskning. Simulationerne gjorde det muligt for ingeniører at simulere ændringer i energiniveauet for WDM under forskellige laserintensiteter. Denne software leverede værdifuld indsigt og sparede tid, penge og ressourcer.

XANES

Røntgenabsorptionsnærkantstruktur-spektroskopi (XANES) blev også integreret i testprocessen. Denne enhed overvågede valenselektrontilstanden og den atomare struktur under eksperimentet. Den var ideelt egnet til opgaven på grund af dens fulde spektrale båndbredde, som gjorde det muligt for teamet at forstå materialets overgangsstadier bedre.

Resultater

Testresultaterne afslørede nogle nøgledetaljer om processen. For det første har røntgenintensitet en direkte korrelation til ionisering. Denne proces forårsager drastiske ændringer i energiniveauerne som følge af kollisioner mellem atomer i den exciterede tilstand. Hastigheden og intensiteten af disse kollisioner var relative til den energi, som laserpulsen leverede.
Interessant bemærkede teamet, at under en pulsenintensitet på 10^15 W cm⁻² kan et absorptionsspidspunkt opnås. De øgede gradvist laserintensiteten, indtil testudstyret viste, at stoffet blev uigennemsigtigt. Da intensiteten øgedes yderligere, blev stoffet gennemsigtigt for laserpulsen. Således viser undersøgelsen, at ved et vist højt energiniveau kan røntgenstråler ikke absorberes af WDM.

Fordele

Der er flere fordele, som denne forskning bringer til markedet. Det nye system giver en dybere forståelse af WDM, hvordan den dannes, og dens kapaciteter under bestemte energiniveauer. De data, som forskerne leverer, hjælper astrofysikere og kerneteknikere med bedre at forstå, hvordan denne stoftilstand kan gavne verden.
Forståelsen af WDM’s termodynamik åbner døren for nye muligheder. Denne teknologi muliggør stærkere materialer og testprocedurer. Disse skridt vil gøre det muligt for mennesker at skabe mere kraftfulde og længerevarende rumfartøjer, som kunne have evnen til at generere energi ved hjælp af nye fusionsmetoder.

Forskere

Forskningen blev afholdt af Institutet for Kernfysik ved Polens Videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow. Nina Rohringer var hovedforsker. Derudover deltog Prof. Beata Ziaja-Motyka og Dr. Laurent Mercadier fra den europæiske XFEL i studiet, som delvist blev finansieret af Institutet for Kernfysik ved Polens Videnskabsakademi.

Virksomheder, der kan drage fordel af denne undersøgelse

Flere virksomheder er positioneret til at udnytte denne forskning, fra luftfartsvirksomheder til dem, der arbejder på nye fusionsmetoder; nye muligheder er tilgængelige. Denne undersøgelse kan hjælpe med at forbedre nuværende tilbud og styrke produkter i fremtiden. Som sådan har disse virksomheder vitale positioner på deres marked og betragtes som positive beholdninger for investorer.

1. Exelon Corporation

EXC Prisdiagram

Exelon Corporation (EXC ) gik ind på markedet i 2020 efter fusionen af to højtprofilerede energivirksomheder, PECO og Unicom. Virksomheden er en af de største energileverandører i Nordamerika og har hovedkontor i Chicago, IL. Det er et Fortune‑500‑selskab og anerkendes som en af de største og mest succesfulde udbydere på markedet. Den har også et stærkt fokus på samfundet med over 20.000 ansatte dedikeret til arbejdsstyrkeudvikling og samfundsengagement.
Exelon er en smart aktie at tilføje til din portefølje. Virksomheden har seks regulerede forsyningsselskaber og kontrollerer over 101 milliarder dollars i aktiver. Derudover har den 21 aktive atomreaktorer på 12 kraftværker i USA. Alle disse faktorer positionerer Exelon som en markedsleder og en klog tilføjelse til din portefølje.

2. Lockheed Martin

LMT Prisdiagram

Lockheed Martin (LMT ) gik officielt ind på markedet efter fusionen af Lockheed og Martin Marietta i 1950’erne. Virksomheden er en pioner inden for aerodynamik, militær, fremdrift, roterende og rumsektorerne. Som sådan er den unikt positioneret til straks at udnytte forskernes indsats.

Lockheed er ansvarlig for nogle af de mest ikoniske fly, der har nået himlen. De har også en stor andel i den amerikanske forsvarsindustri, hvor de er kendt for deres højteknologiske luftfart. En bedre forståelse af WDM kunne forbedre deres tilbud på mange måder. For det første kunne det åbne døren for nye fremdriftssystemer. Derudover ville det give ingeniører mulighed for at modellere mere effektive fly ved hjælp af nye processer og modeller.

Bemærkelsesværdigt er Lockheed Martin en massiv del af den amerikanske industrielle kompleks. De beskæftiger i øjeblikket over 122.000 mennesker globalt og har over 350 faciliteter. Disse faktorer, sammen med en stigende efterspørgsel efter deres produkter efter kvalitetskontrolproblemer hos Boeing, har gjort Lockheed Martin til en klog tilføjelse til din portefølje.

Fremtid for WDM-forskning og -applikationer

Du kan forvente at se de data, der er indsamlet fra denne undersøgelse, blive brugt med det samme på tværs af flere industrier. De modeller, der er skabt, vil hjælpe forskere med at videreudvikle felterne inden for røntgenpulsshaping, hvilket vil forbedre overvågningskapaciteter drastisk og give et glimt af, hvad der engang var usynligt for forskerne.

Metalliske Varmeskjold til Rumfartøjer

Et sted, hvor WDM er almindeligt, er når et rumfartøj genindtræder Jordens atmosfære. Når et fartøj genindtræder atmosfæren, når temperatur og stråling et niveau, der skaber WDM. Forskningen i denne undersøgelse vil hjælpe ingeniører med at skabe mere effektive og stærkere varmeskjold til rumfartøjer, som kan sprede WDM-energien sikkert.

Kontrolleret Kernespaltning (ICF – Inertial Confinement Fusion)

Forskere har længe drømt om lavpris kernespaltning. Denne forskning bringer verden et skridt tættere på at forstå og opnå dette mål. Teamet har fremlagt betydelige beviser og nye metoder, der gør det muligt for fremtidige forskere at overvåge atomære ændringer præcist for at skabe mere effektive fusionsmodeller. Således kan denne forskning en dag føre til ren energi for alle.

Mere Forskning er Påkrævet

Undersøgelsen har vækket interesse for at udnytte WDM’s kapaciteter. I øjeblikket kan stoffet findes i små stjerner, planeter, dværge, partikelstråleinteraktioner, afablation af metaller og intens laserinteraktion. Denne nye metode kan afsløre endnu flere steder, hvor dette universopbyggende stof findes. Således forbereder forskerne sig på yderligere test i de kommende uger, mens deres fund gennemgår fagfællebedømmelse.

Warm Dense Matter (WDM) – Stadig Meget at Lære

Det er vildt at tænke på, at forskerne først nu bliver klar over, hvordan WDM fungerer. Denne almindelige materialetilstand er i kernen af eksistensen, og jo flere mennesker der forstår den, desto tydeligere bliver det, at den kan låse op for energikilder, der er flere størrelsesordener over, hvad der i øjeblikket er i brug. Som sådan fortjener disse forskere en hyldest for at hjælpe med at kaste lys over en af universets ældste mysterier.

Lær om andre seje rum projekter nu.