Röntgensädelaser paljastaa uutta näkemystä lämpimästä tiheästä aineesta

Tutkimuksessa käytettiin European XFELin röntgenlaseria lämpimän tiheän aineen eli WDM:n tutkimiseen. Kuparinäytteeseen kohdistetut erittäin lyhyet pulssit auttoivat selvittämään, miten aineen elektronirakenne ja röntgensäteilyn absorptio muuttuvat äärimmäisissä oloissa.

Lämmin tiheä aine eli WDM

Lämmin tiheä aine on olosuhdealue, jolla aineen kuvaaminen sekä tavallisilla tiiviin aineen malleilla että heikosti kytkeytyneen plasman malleilla on vaikeaa. Kyse ei ole yhdestä erityisestä aineesta vaan lämpötilan ja tiheyden yhdistelmästä. Sen tutkiminen auttaa ymmärtämään esimerkiksi planeettojen sisäosia.

WDM-olosuhteita esiintyy esimerkiksi jättiläisplaneettojen sisäosissa ja ruskeissa kääpiöissä. Laboratoriossa niitä voidaan tuottaa hetkellisesti voimakkailla lasereilla tai puristamalla näytettä. Tutkimus liittyy astrofysiikkaan, planeettatieteeseen ja ydinfuusioon, ei tässä yhteydessä ydinfissioon.

WDM:n rajat eivät ole täsmällisiä. Kirjallisuudessa tarkastellaan esimerkiksi noin 0,01–100 g/cm³:n tiheyksiä ja 1–100 elektronivoltin lämpötila-asteikkoa. Yksi elektronivoltti vastaa noin 11 600 kelviniä. Vaihteluvälit kuvaavat tutkimusaluetta, eivät yksittäisen taivaankappaleen yhtenäisiä ominaisuuksia.

Nykyiset menetelmät lämpimän tiheän aineen seurantaan ja tuottamiseen

Optiset mittausmenetelmät voivat seurata aineen muutoksia, mutta niiden kyky erottaa erittäin nopeita elektronirakenteen ilmiöitä on rajallinen. Röntgensäteily tarjoaa toisenlaisen tavan tarkastella näytteen sisäistä rakennetta.

Tässä työssä käytettiin röntgenabsorptiospektroskopiaa ja vapaaelektroniröntgenlaseria (XFEL). Vapaaelektronilaser ei tarkoita elektronitonta laitetta. Koe tehtiin 15 femtosekunnin pulsseilla; femtosekunti on 10⁻¹⁵ sekuntia eli sekunnin miljoonasosan miljardisosa.

XFEL-laitteiden voimakkaat ja lyhyet pulssit mahdollistavat sekä äärimmäisten olosuhteiden synnyttämisen että niiden tutkimisen. Tutkijat seurasivat kuparin absorptiospektrin muutoksia European XFELissä Hampurin seudulla ja vertasivat havaintoja teoreettisiin laskelmiin.

European XFEL

European XFEL on kansainvälinen röntgenlaser-tutkimuslaitos, jossa DESY vastaa muun muassa kiihdyttimen toiminnasta. Noin 3,4 kilometriä pitkä laitoskokonaisuus ulottuu Hampurista Schenefeldiin. Tämä pituus ei tarkoita yhtä näytteen mittausaluetta.

WDM-tutkimuksen tavoite

Tutkijat pyrkivät kuvaamaan sitä, miten ultralyhyet röntgenpulssit muuttavat kuparin lämpimäksi tiheäksi aineeksi. Työssä mitattiin kuparin L-reunan absorptiospektriä eri säteilyintensiteeteillä.

Kuparinäytteiden koe

Tutkijat kohdistivat kuparinäytteisiin 15 femtosekunnin röntgenpulsseja ja vaihtelivat pulssien intensiteettiä. Voimakas säteily ionisoi näytettä ja muutti elektronien miehityksiä. Muutokset tapahtuivat pulssin aikaskaalassa, eivät sekuntien kuluessa.

Absorptio kasvoi ensin tietyllä energia-alueella, mutta suurimmilla intensiteeteillä se kyllästyi ja näytteen läpäisy kasvoi. Havaittu siirtymä kulki käänteisestä kyllästyvästä absorptiosta (RSA) kyllästyvään absorptioon (SA).

Kokeellisen datan yhdistäminen simulaatioihin

Koe tehtiin European XFELin Spectroscopy and Coherent Scattering- eli SCS-mittausasemalla. Tutkijat mittasivat kuparin läpi kulkevaa säteilyä ja selvittivät, miten absorptio muuttui näytteen ionisoituessa.

Lähde – Nature

Säde fokusoitiin Kirkpatrick–Baez-peileillä noin 4 mikrometrin puoliarvoleveyteen (FWHM). Noin 2 millijoulen pulssien energiaa seurattiin kaasumonitoreilla ennen näytettä. Spektrometri sijaitsi noin 2,3 metriä näytteen jälkeen säteen kulkusuunnassa.

Spektrometrin tuloraon leveys oli 40 mikrometriä ja hilassa oli 1 200 viivaa millimetriä kohti. CCD-kamera tallensi spektrin. Havaintoja verrattiin laskelmiin, joissa yhdistettiin elektronien kineettisiä Boltzmann-yhtälöitä ja äärellisen lämpötilan tiheysfunktionaaliteoriaa.

Boltzmann-yhtälöiden ratkaisija

Tutkimuksessa käytetty kineettinen malli kuvaa, miten röntgenpulssi vaikuttaa aineen elektroneihin ja miten niiden energiajakauma muuttuu. Beata Ziajan ryhmän kehittämät menetelmät mahdollistavat pulssi-intensiteettien ja kokeellisten spektrien vertailun laskennallisesti.

XANES

XANES tarkoittaa röntgenabsorptioreunan lähirakenteen spektroskopiaa. Se antaa tietoa elektronitilojen ja paikallisen rakenteen muutoksista. Tässä kokeessa mitattiin näytteen absorptiota kuparin L-reunan läheisyydessä, ei erillisen XANES-laitteen toimintaa.

Tulokset

Tulokset osoittivat, että säteilyn intensiteetti muuttaa voimakkaasti kuparin absorptiospektriä. Elektronien virittyminen, ionisaatio ja törmäykset vaikuttavat siihen, millaisia absorptiokanavia syntyy.

Alle noin 10¹⁵ W/cm²:n intensiteeteillä havaittiin absorptiopiikki reunan alapuolella. Intensiteetin kasvaessa näyte muuttui ensin absorboivammaksi ja suurimmilla intensiteeteillä läpäisevämmäksi tutkitulla energia-alueella. Tulos ei tarkoita, ettei WDM voisi koskaan absorboida röntgensäteilyä.

Hyödyt

Mittaukset ja mallit parantavat ymmärrystä siitä, miten tiheä aine reagoi voimakkaaseen säteilyyn. Tietoa voidaan käyttää äärimmäisten olosuhteiden tutkimuksessa sekä säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen mallintamisessa.

Mahdollisia jatkosovelluksia ovat röntgenpulssien muokkaaminen ja fuusiokokeiden mallien kehittäminen. Koe ei kuitenkaan suoraan osoittanut uuden avaruusalusmateriaalin, käyttövoimajärjestelmän tai kaupallisen energialähteen toimivuutta.

Tutkijat

Työhön osallistui kansainvälinen ryhmä, muun muassa European XFELin, DESYn ja Puolan tiedeakatemian ydinfysiikan instituutin IFJ PANin tutkijoita. Ensimmäinen kirjoittaja oli Laurent Mercadier; mukana olivat myös Beata Ziaja ja Nina Rohringer. Kokeet tehtiin European XFELissä, eivät IFJ PANin Krakovassa sijaitsevissa tiloissa.

Aiheeseen liittyvien toimialojen yrityksiä

Energia- ja ilmailualan yritykset toimivat aloilla, joilla materiaalitutkimus voi pitkällä aikavälillä olla hyödyllistä. Seuraavat yritysesimerkit eivät kuitenkaan osoita, että ne osallistuisivat tähän tutkimukseen tai olisivat ottamassa tuloksia heti käyttöön.

1. Exelon Corporation

EXC Hintakaavio

Exelon Corporation (EXC ) syntyi PECO:n ja Unicomin yhdistyessä vuonna 2000. Chicagossa pääkonttoriaan pitävä yhtiö toimii sähkön ja kaasun siirrossa ja jakelussa kuuden säännellyn energiayhtiön kautta.

Sähköntuotantoliiketoiminta eriytettiin Constellationiksi helmikuussa 2022. Siksi vanhaa ydinreaktorikantaa ei tule esitellä Exelonin vuoden 2024 omistuksena. WDM-tutkimuksen tulokset eivät sellaisinaan anna perustetta ennustaa Exelonin sijoitustuottoa.

2. Lockheed Martin

LMT Hintakaavio

Lockheed Martin (LMT ) syntyi Lockheedin ja Martin Mariettan yhdistyessä vuonna 1995. Yhtiö toimii ilmailu-, puolustus- ja avaruusalalla. Materiaalien käyttäytymisen ymmärtäminen on näillä aloilla tärkeää, mutta tästä kokeesta ei seuraa välitöntä kaupallista sovellusta yhtiölle.

Lockheed Martin kehittää muun muassa lentokoneita ja avaruusjärjestelmiä. Äärimmäisten olosuhteiden tutkimus voi tukea alan pitkän aikavälin mallinnusta, mutta kyseinen kuparikoe ei osoittanut uutta lentokoneen työntövoimajärjestelmää.

Yhtiö raportoi noin 122 000 työntekijää vuoden 2023 lopussa. Sen näkymiin vaikuttavat sopimukset, puolustusbudjetit ja ohjelmien toteutus. WDM-tutkimuksesta tai toisen valmistajan laatuongelmista ei voi suoraan päätellä osakkeen tulevaa tuottoa.

Lämpimän tiheän aineen tutkimuksen ja sovellusten tulevaisuus

Tutkimuksen mallit voivat auttaa kehittämään röntgenpulssien muokkausta ja erittäin nopeiden ilmiöiden mittaamista. Jatkotyö voi tarkentaa elektronidynamiikan kuvausta ja materiaalien absorptiota äärimmäisissä oloissa.

Avaruusalusten lämpösuojat

Ilmakehään palaavan aluksen ympärille syntyy kuumaa kaasua ja plasmaa, mutta tämä ei automaattisesti tarkoita WDM-olosuhteita. Lämpimän tiheän aineen tutkimus ja avaruusalusten lämpösuojien kehittäminen liittyvät molemmat aineen käyttäytymiseen äärimmäisissä oloissa. Tässä kokeessa ei kuitenkaan testattu lämpösuojaa.

Inertiaalinen koossapito fuusiotutkimuksessa

Inertiaalisessa koossapidossa polttoainetta puristetaan ja kuumennetaan hyvin nopeasti. Aineen absorptio ja läpäisy vaikuttavat energian kulkuun tällaisissa kokeissa. WDM:n parempi mallintaminen voi tukea tutkimusta, mutta ei yksin ratkaise taloudellisesti kannattavan fuusiovoiman haasteita.

Lisätutkimuksen tarve

WDM-olosuhteita tutkitaan planeettojen ja ruskeiden kääpiöiden sisäosien malleissa sekä voimakkaiden laserien ja hiukkassäteiden synnyttämissä laboratoriotilanteissa. Vuonna 2024 Nature Physicsissä julkaistu tutkimus tarjoaa tietoa kuparin käyttäytymisestä näissä oloissa. Tulokset on siten julkaistu vertaisarvioidussa tiedelehdessä.

Lämmin tiheä aine (WDM): vielä paljon opittavaa

Lämpimän tiheän aineen tutkimuksessa yhdistyvät tiiviin aineen fysiikka ja plasmafysiikka. Uudet mittaukset auttavat testaamaan malleja ja selvittämään erittäin nopeita muutoksia. Tämä lisää ymmärrystä luonnosta, vaikka yksittäisestä kokeesta ei vielä seuraa uusi energialähde.

Tutustu muihin avaruusalan artikkeleihin  tästä.