Λέιζερ Ακτίνων X Αποκαλύπτει Νέα Ενόραση στο Θερμό Πυκνό Υλικό

Μια νέα μελέτη που περιγράφει τη χρήση λέιζερ ακτίνων X για τη μελέτη του Θερμού Πυκνού Υλικού (WDM) έχει ενθουσιάσει πολλούς στον κλάδο. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το Ευρωπαϊκό XFEL για να διεξάγουν μια σειρά πειραμάτων γύρω από την μυστηριώδη κατάσταση της ύλης. Να τι ανακάλυψαν.

Κατάσταση Θερμού Πυκνού Υλικού (WDM)

Ο όρος «Θερμό Πυκνό Υλικό» περιγράφει ένα συγκεκριμένο σύνολο ύλης που δεν εντάσσεται άμεσα στις τρέχουσες κατηγορίες της φυσικής. Το Θερμό Πυκνό Υλικό θεωρείται από πολλούς ως ένα κρίσιμο δομικό στοιχείο του σύμπαντος και η κατανόησή του θα επέτρεπε βαθύτερη ενόραση στην ιστορία της ύπαρξης. Σημαντικό είναι ότι η ύπαρξη αυτής της κατάστασης υλικού αναγνωρίστηκε μόνο πριν από δύο δεκαετίες.

Το Θερμό Πυκνό Υλικό είναι άφθονο στο σύμπαν. Αυτή η μοναδική κατάσταση μπορεί να βρεθεί σε αερόσκονες πλανήτες όπως ο Δίας και ακόμη και στον πυρήνα των καφέ νάνοι αστέρων. Το ιδιαίτερο του WDM είναι ότι βρίσκεται μεταξύ πλάσματος και συμπιεσμένης φάσης. Ως εκ τούτου, είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί και παίζει ζωτικό ρόλο στην αστροφυσική, την πλανητική επιστήμη και τη πυρηνική σχάση.

Η αρχική κατανόηση του WDM ήταν ευρεία. Συγκέντρωνε πολλαπλά φαινόμενα με θερμοκρασίες από μερικές χιλιάδες βαθμούς και υψηλή πυκνότητα. Τα τελευταία 5 χρόνια, ο ορισμός έχει επεκταθεί ώστε να περιλαμβάνει ουράνια σώματα με πυκνότητα μεταξύ 0,01 και 100 g/cm³ και θερμοκρασία που υπερβαίνει αρκετές χιλιάδες κέλβιν (1‑100 eV).

Τρέχουσες Μέθοδοι Παρακολούθησης και Δημιουργίας WDM

Προηγουμένως, χρησιμοποιήθηκε οπτικός εξοπλισμός για την παρατήρηση της κατάστασης Θερμού Πυκνού Υλικού. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση περιοριζόταν από τις δυνατότητες του εξοπλισμού. Συγκεκριμένα, η συσκευή δεν μπορούσε να καταγράψει και να παρακολουθήσει με ακρίβεια τα ενεργειακά επίπεδα στην κορυφή.

Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται σήμερα είναι η φασματοσκοπία εκπομπής ακτίνων X. Αυτή η προσέγγιση εφευρέθηκε πριν από 12 χρόνια ως εναλλακτική χωρίς ηλεκτρόνια. Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν Λέιζερ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων Ακτίνων X (XFEL) για να δημιουργήσουν υψηλής έντασης παλμούς ακτίνων X διάρκειας ενός φεμτοδευτερολέπτου. Σημειωτέον, ένας φεμτοδευτερόλεπτος λέιζερ στέλνει παλμούς που διαρκούν εκατομμύρια του δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου.

Η εισαγωγή αξιόπιστων λέιζερ XFEL επέτρεψε στους ερευνητές να προχωρήσουν τις μελέτες τους στην κατάσταση WDM. Συγκεκριμένα, εξέτασαν τη μεταβατική αλλαγή και τις οπτικές ιδιότητες της ύλης που εκτίθεται σε ακτινοβολία λέιζερ‑X. Αυτές οι μελέτες άνοιξαν το δρόμο για νέους τύπους λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων. Για αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές αξιοποίησαν τη δυνατότητα μέτρησης αλλαγών σε ατομικές κλίμακες για να καταγράψουν με ακρίβεια τη μετατροπή στερεής ύλης σε κατάσταση WDM χρησιμοποιώντας το European XFEL στο Αμβούργο.

Λέιζερ European XFEL

Το Λέιζερ European XFEL είναι ένα από τα μόνα δώδεκα XFEL που λειτουργούν παγκοσμίως. Αυτή η προηγμένη συσκευή κατασκευάστηκε σε συνεργασία με το ερευνητικό κέντρο DESY. Διαθέτει περιοχή δοκιμών μήκους 2,1 μιλίων που επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν τη δομή των ηλεκτρονίων και των ιόντων της ύλης καθώς μετατρέπεται.

Μελέτη Θερμού Πυκνού Υλικού

Μέχρι σήμερα, δεν έχουν πραγματοποιηθεί πολλές μελέτες για το πώς η ακτινοβολία αυτών των νέων συστημάτων μπορεί να αλλάξει τις καταστάσεις της ύλης με καταγεγραμμένο και παρακολουθήσιμο τρόπο. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές επιδίωξαν να λεπτομέρειες πώς η χρήση υπερ-γρήγορων παλμών λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων X μπορεί να μετατρέψει το χαλκό σε Θερμό Πυκνό Υλικό. Συγκεκριμένα, η ομάδα περιγράφει τη χρήση φασματοσκοπίας απορρόφησης X‑ray L‑edge σε ευρύ φάσμα έντασης ακτινοβολίας για τη μετατροπή των καταστάσεων.

Δοκιμή Θερμού Πυκνού Υλικού

Οι παλμοί λέιζερ ρυθμίστηκαν ώστε να εκτοξεύουν φωτισμένα δείγματα χαλκού για 15 φεμτοδευτερόλεπτα. Οι ερευνητές επανέλαβαν αυτή τη διαδικασία σε διαφορετικές εντάσεις για να δουν το αποτέλεσμα και πώς κάθε ρύθμιση επηρέαζε το ρυθμό μετατροπής της ύλης. Παρατήρησαν ότι ο παλμός λέιζερ X δημιούργησε ισχυρή ιονισμό.

Αυτός ο ιονισμός οδήγησε σε διεύρυνση των ηλεκτρονίων, καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονταν. Σε λίγα δευτερόλεπτα, η ύλη μετατράπηκε σε ιονισμένο WDM. Από εκεί, έγινε διαφανής στα X‑ray. Αυτή η μετάβαση από κορεστική απορρόφηση (SA) σε αντίστροφη κορεστική απορρόφηση (RSA) προκάλεσε το ενδιαφέρον των ερευνητών.

Συνδυασμός Πειραματικών Δεδομένων με Προσομοιώσεις

Η διαδικασία δοκιμής πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το όργανο Φασματοσκοπίας και Συνεκτικού Σκόνησης (SCS) του European XFEL (EuXFEL). Αυτή η τοποθεσία παρείχε το ιδανικό περιβάλλον για τους ερευνητές να διεξάγουν πειράματα και να καταγράψουν με λεπτομέρεια τα αποτελέσματα. Εξέτασαν ακριβώς πόση ακτινοβολία διέρχεται από την ύλη καθώς και τις αλλαγές στην ιονισμό της.

Πηγή – Nature

Σημαντικό είναι ότι τα πειράματα απαιτούσαν η ενέργεια του παλμού XFEL να εστιάζεται μέσω καθρεπτών Kirkpatrick–Báez. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στην ομάδα να ορίσει το μέγεθος της δέσμης στα 4 μm πλήρους πλάτους στο μισό μέγιστο (FWHM). Μετρήθηκε ενέργεια παλμού 2 mJ με δύο ανιχνευτές αερίου X‑ray. Αυτές οι συσκευές βρίσκονταν 2,3 m κάτω από το σημείο αλληλεπίδρασης.

Η συσκευή πέρασε το λέιζερ μέσω μιας εισόδου σχισμής 40 μm και ενός γρατζουνιού με 1 200 γραμμές ανά mm. Εισήχθη επίσης μια μικρογραφική κάμερα CCD για περαιτέρω παρακολούθηση του χαλκού που διεγέρθηκε από τα X‑ray. Από εκεί, η ομάδα εφάρμοσε κινητικές εξισώσεις Boltzmann με επεκτάσεις πεπερασμένης θερμοκρασίας της DFT πραγματικού χώρου πυκνότητας-λειτουργίας για να υλοποιήσει τα τελικά δεδομένα. Ένας παλμός XFEL διάρκειας 15 fs χρησιμοποιήθηκε στη δοκιμή των άκρων του χαλκού, όπου οι μετρήσεις έδειξαν ότι η ένταση μπορούσε να διπλασιαστεί.

Λογισμικό BOLTZMANN SOLVER

Ο λύτης της κινητικής εξίσωσης Boltzmann είναι ένα προσαρμοσμένο πακέτο προσομοίωσης που επιτρέπει την μοντελοποίηση της ακτινοβολίας παλμού X‑ray σε μαζικό υλικό. Το πρόγραμμα δημιουργήθηκε από τον καθηγητή Ziaja‑Motyka το 2004 και μέχρι σήμερα έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην έρευνα WDM. Οι προσομοιώσεις επέτρεψαν στους μηχανικούς να προσομοιώσουν τις αλλαγές στα ενεργειακά επίπεδα του WDM υπό διαφορετικές εντάσεις λέιζερ. Αυτό το λογισμικό παρείχε πολύτιμη ενόραση και εξοικονόμησε χρόνο, χρήματα και πόρους.

XANES

Η φασματοσκοπία X‑ray absorption near‑edge structure (XANES) ενσωματώθηκε επίσης στη διαδικασία δοκιμής. Αυτή η μονάδα παρακολουθούσε την κατάσταση των βαλεντικών ηλεκτρονίων και τη δομή των ατόμων κατά τη διάρκεια του πειράματος. Ήταν ιδανική για το έργο λόγω του πλήρους φάσματος ζώνης, που επέτρεψε στην ομάδα να κατανοήσει καλύτερα τα μεταβατικά στάδια του υλικού.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα των δοκιμών αποκάλυψαν ορισμένες βασικές λεπτομέρειες της διαδικασίας. Για παράδειγμα, η ένταση των X‑ray έχει άμεση συσχέτιση με τον ιονισμό. Αυτή η διαδικασία προκαλεί δραστικές αλλαγές στα ενεργειακά επίπεδα λόγω συγκρούσεων ατόμων στην διεγερμένη κατάσταση. Ο ρυθμός και η ένταση αυτών των συγκρούσεων ήταν ανάλογα με την ποσότητα ενέργειας που παρείχε ο παλμός λέιζερ.

Ενδιαφέρον είναι ότι η ομάδα παρατήρησε ότι κάτω από ένταση παλμού 10^15 W cm⁻², μπορεί να παρατηρηθεί κορυφή απορρόφησης. Αυξάνοντας σταδιακά την ένταση του λέιζερ, ο εξοπλισμός έδειξε ότι η ύλη γίνεται αδιαφανής. Όταν η ένταση αυξήθηκε περαιτέρω, η ύλη έγινε διαφανής στο παλμό λέιζερ. Έτσι, η μελέτη αποκαλύπτει ότι σε ένα συγκεκριμένο υψηλό επίπεδο ενέργειας τα X‑ray δεν μπορούν να απορροφηθούν από το WDM.

Οφέλη

Αυτή η έρευνα προσφέρει αρκετά οφέλη στην αγορά. Το νέο σύστημα παρέχει βαθύτερη κατανόηση του WDM, του πώς σχηματίζεται και των δυνατοτήτων του υπό συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Τα δεδομένα που παρέχουν οι ερευνητές βοηθούν αστροφυσικούς και πυρηνικούς μηχανικούς να κατανοήσουν καλύτερα πώς αυτή η κατάσταση ύλης μπορεί να ωφελήσει τον κόσμο.

Η κατανόηση της θερμοδυναμικής του WDM ανοίγει το δρόμο για νέες δυνατότητες. Αυτή η τεχνολογία επιτρέπει την ανάπτυξη ισχυρότερων υλικών και διαδικασιών δοκιμών. Αυτά τα βήματα θα επιτρέψουν στους ανθρώπους να δημιουργήσουν πιο ισχυρά και μακροχρόνια διαστημόπλοια που θα έχουν τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας μέσω νέων μεθόδων σύντηξης.

Ερευνητές

Η έρευνα φιλοξενήθηκε από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών (IFJ PAN) στην Κρακοβία. Η Nina Rohringer ήταν η κύρια ερευνήτρια. Επιπλέον, οι καθηγητές Beata Ziaja‑Motyka και Dr. Laurent Mercadier από το European XFEL συμμετείχαν στη μελέτη, η οποία χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Εταιρείες που Θα Μπορούσαν να Ωφεληθούν από Αυτή τη Μελέτη

Πολλές εταιρείες βρίσκονται σε θέση να αξιοποιήσουν αυτή την έρευνα, από αεροναυπηγικές εταιρείες μέχρι εκείνες που εργάζονται σε νέες μεθόδους σύντηξης· νέες ευκαιρίες είναι διαθέσιμες. Αυτή η μελέτη μπορεί να βελτιώσει τις τρέχουσες προσφορές και να ενισχύσει τα προϊόντα στο μέλλον. Ως εκ τούτου, αυτές οι εταιρείες κατέχουν κρίσιμες θέσεις στην αγορά τους και θεωρούνται θετικές επενδύσεις για τους επενδυτές.

1. Exelon Corporation

EXC Διάγραμμα τιμής

Η Exelon Corporation (EXC ) εισήλθε στην αγορά το 2020 μετά τη συγχώνευση δύο υψηλού προφίλ ενεργειακών εταιρειών, PECO και Unicom. Η εταιρεία είναι ένας από τους μεγαλύτερους προμηθευτές ενέργειας στη Βόρεια Αμερική και έχει έδρα στο Σικάγο, IL. Είναι εταιρεία Fortune 500 και αναγνωρίζεται ως ένας από τους μεγαλύτερους και πιο επιτυχημένους παρόχους στην αγορά. Διαθέτει επίσης ισχυρή εστίαση στην κοινότητα, με +20 000 υπαλλήλους αφιερωμένους στην ανάπτυξη του εργατικού δυναμικού και στην προώθηση κοινοτικών δράσεων.

Η Exelon είναι μια έξυπνη μετοχή για προσθήκη στο χαρτοφυλάκιό σας. Η εταιρεία διαθέτει έξι ρυθμιζόμενα δίκτυα κοινής ωφέλειας και ελέγχει περιουσιακά στοιχεία άνω των 101 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Επιπλέον, διαθέτει 21 ενεργά πυρηνικά αντιδραστήρια σε 12 εργοστάσια ενέργειας στις ΗΠΑ. Όλοι αυτοί οι παράγοντες τοποθετούν την Exelon ως πρωτοπόρο στην αγορά και σοφή προσθήκη στο χαρτοφυλάκιό σας.

2. Lockheed Martin

LMT Διάγραμμα τιμής

Η Lockheed Martin (LMT ) εισήλθε επίσημα στην αγορά μετά τη συγχώνευση των Lockheed και Martin Marietta τη δεκαετία του 1950. Η εταιρεία είναι πρωτοπόρος στους τομείς αεροδυναμικής, στρατιωτικού, οδικού, περιστροφικού και διαστημικού. Ως εκ τούτου, βρίσκεται σε μοναδική θέση να αξιοποιήσει αμέσως τις προσπάθειες των ερευνητών.

Η Lockheed είναι υπεύθυνη για μερικά από τα πιο εικονικά αεροπλάνα που έφτασαν στον ουρανό. Διαθέτει επίσης σημαντικό μερίδιο στη βιομηχανία άμυνας των ΗΠΑ, όπου είναι γνωστή για την υψηλής τεχνολογίας αεροναυπηγική. Μια καλύτερη κατανόηση του WDM θα μπορούσε να βελτιώσει την προσφορά τους με πολλούς τρόπους. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για νέα συστήματα προώθησης. Επίσης, θα επέτρεπε στους μηχανικούς να μοντελοποιήσουν πιο αποτελεσματικά αεροσκάφη χρησιμοποιώντας νέες διαδικασίες και μοντέλα.

Σημαντικό είναι ότι η Lockheed Martin αποτελεί τεράστιο μέρος του βιομηχανικού συνόλου των ΗΠΑ. Απασχολεί σήμερα +122 000 άτομα παγκοσμίως και διαθέτει +350 εγκαταστάσεις. Αυτοί οι παράγοντες, μαζί με την αυξανόμενη ζήτηση για τα προϊόντα της λόγω ανησυχιών ποιότητας από τη Boeing, έχουν κάνει τη Lockheed Martin μια σοφή προσθήκη στο χαρτοφυλάκιό σας.

Μέλλον της Έρευνας και Εφαρμογών του WDM

Μπορείτε να περιμένετε ότι τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από αυτή τη μελέτη θα χρησιμοποιηθούν άμεσα σε πολλούς κλάδους. Τα μοντέλα που δημιουργήθηκαν θα βοηθήσουν τους ερευνητές να προωθήσουν τα πεδία διαμόρφωσης παλμών ακτίνων X, τα οποία θα βελτιώσουν δραστικά τις δυνατότητες παρακολούθησης και θα προσφέρουν μια ματιά σε ό,τι κάποτε ήταν αόρατο για τους ερευνητές.

Μεταλλικές Θερμικές Ασπίδες Διαστημοπλοίων

Ένα σημείο όπου το WDM είναι κοινό είναι όταν ένα διαστημόπλοιο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης. Όποτε ένα σκάφος επανεισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης, η θερμοκρασία και η ακτινοβολία φθάνουν σε επίπεδο που δημιουργεί WDM. Η έρευνα που παρουσιάζεται στη μελέτη θα βοηθήσει τους μηχανικούς να δημιουργήσουν πιο αποδοτικές και ισχυρότερες θερμικές ασπίδες διαστημοπλοίων που μπορούν να διασπείρουν την ενέργεια του WDM με ασφάλεια.

Ελεγχόμενη Πυρηνική Συγχώνευση (ICF – Αδράνεια Συμπίεσης Συγχώνευσης)

Οι ερευνητές ονειρεύονται εδώ και πολύ καιρό μια χαμηλού κόστους πυρηνική σύντηξη. Αυτή η έρευνα φέρνει τον κόσμο ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση και επίτευξη αυτού του στόχου. Η ομάδα παρουσίασε σημαντικά αποδεικτικά στοιχεία και νέες μεθόδους που επιτρέπουν στους μελλοντικούς ερευνητές να παρακολουθούν ακριβώς τις ατομικές αλλαγές για τη δημιουργία πιο αποτελεσματικών μοντέλων σύντηξης. Ως εκ τούτου, αυτή η έρευνα θα μπορούσε κάποια μέρα να οδηγήσει σε καθαρή ενέργεια για όλους.

Απαιτείται Περισσότερη Έρευνα

Η μελέτη έχει προκαλέσει ενδιαφέρον για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων του WDM. Προς το παρόν, η ουσία μπορεί να βρεθεί σε μικρούς αστέρες, πλανήτες, νάνοι, αλληλεπιδράσεις σωματιδιακών δέσμης, απομάκρυνση μετάλλων και έντονη αλληλεπίδραση λέιζερ. Αυτή η νέα μέθοδος μπορεί να αποκαλύψει ακόμη περισσότερα σημεία όπου υπάρχει αυτή η ουσία που χτίζει το σύμπαν. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές προετοιμάζονται για περισσότερες δοκιμές τις επόμενες εβδομάδες καθώς τα ευρήματά τους περνούν από αξιολόγηση από ομότιμους.

Θερμό Πυκνό Υλικό (WDM) – Ακόμα Πολλά να Μάθουμε

Είναι τρελό να σκεφτόμαστε ότι οι ερευνητές μόλις τώρα συνειδητοποιούν πώς λειτουργεί το WDM. Αυτή η κοινή κατάσταση υλικού βρίσκεται στον πυρήνα της ύπαρξης και όσο περισσότεροι άνθρωποι το κατανοούν, τόσο πιο εμφανές γίνεται ότι θα μπορούσε να ξεκλειδώσει πηγές ενέργειας που είναι τάξεις μεγέθους πέρα από ό,τι χρησιμοποιείται σήμερα. Ως εκ τούτου, αυτοί οι ερευνητές αξίζουν έναν χαιρετισμό για τη βοήθειά τους στο να ρίξουν φως σε ένα από τα αρχαιότερα μυστήρια του σύμπαντος.

Μάθετε για άλλα ενδιαφέροντα διαστημικά έργα τώρα.