Le laser à rayons X révèle de nouvelles perspectives sur la matière dense chaude

Une nouvelle étude détaillant l’utilisation de lasers à rayons X pour étudier la matière dense chaude (WDM) a suscité beaucoup d’enthousiasme dans le secteur. Les chercheurs ont utilisé le European XFEL pour mener une série d’expériences autour de cet état mystérieux de la matière. Voici ce qu’ils ont découvert.

État de la matière dense chaude (WDM)

Le terme « matière dense chaude » décrit un ensemble particulier de matière qui ne correspond pas directement aux catégories actuelles de la physique. La matière dense chaude est considérée par beaucoup comme un élément fondamental de l’univers et la comprendre permettrait d’approfondir la connaissance de l’histoire de l’existence. Notamment, l’existence de cet état de matière n’a été reconnue que deux décennies auparavant.

La matière dense chaude est abondante dans l’univers. Cet état unique peut être trouvé sur des planètes gazeuses comme Jupiter et même au centre des naines brunes. Ce qui rend le WDM unique, c’est qu’il se situe entre le plasma et un état condensé. En tant que tel, il est extrêmement difficile à reproduire et joue un rôle essentiel en astrophysique, en science planétaire et en fission nucléaire.

La compréhension initiale du WDM était large. Elle regroupait plusieurs phénomènes présentant des températures allant de quelques milliers de degrés à une haute densité. Au cours des cinq dernières années, la définition a été élargie pour inclure les corps célestes avec une densité comprise entre 0,01 et 100 g/cm³ et une température dépassant plusieurs milliers de kelvins (1‑100 eV).

Méthodes actuelles de surveillance et de création du WDM

Des équipements optiques ont été utilisés par le passé pour observer l’état de la matière dense chaude. Cependant, cette approche était limitée par les capacités de l’équipement. En particulier, l’appareil ne pouvait pas enregistrer et surveiller avec précision les niveaux d’énergie au pic.

Une autre méthode actuellement utilisée est la spectroscopie d’émission des rayons X. Cette approche a été inventée il y a 12 ans comme alternative sans électron. Dans cette étude, les chercheurs utilisent des lasers à électrons libres (XFEL) pour générer des impulsions de rayons X à haute intensité d’une durée d’une femtoseconde. Notamment, un laser femtoseconde envoie des impulsions qui durent des millionièmes de milliardièmes de seconde.

L’introduction de lasers XFEL fiables a permis aux chercheurs de poursuivre leurs études sur l’état du WDM. Plus précisément, ils ont examiné le changement transitoire et les propriétés optiques de la matière exposée à une irradiation laser à rayons X. Ces études ont ouvert la voie à de nouveaux types de lasers à électrons libres. Pour cette étude, les chercheurs ont exploité la capacité de mesurer les changements à l’échelle atomique afin de documenter avec précision la conversion de la matière solide en état de WDM en utilisant le European XFEL à Hambourg.

Laser European XFEL

Le laser European XFEL est l’un des douze XFEL en fonctionnement dans le monde. Cet appareil avancé a été construit en collaboration avec le centre de recherche DESY. Il dispose d’une zone de test de 2,1 miles de long qui permet aux chercheurs de surveiller la structure électronique et ionique de la matière pendant sa conversion.

Étude de la matière dense chaude

À ce jour, peu d’études ont été menées sur la façon dont l’irradiation de ces nouveaux systèmes peut modifier les états de la matière de manière enregistrable et traçable. Ainsi, les chercheurs ont cherché à décrire comment l’utilisation d’impulsions ultrarapides de lasers à électrons libres peut convertir le cuivre en matière dense chaude. Plus précisément, l’équipe détaille l’utilisation de la spectroscopie d’absorption des rayons X à la bande L sur une large gamme d’intensités d’irradiation pour convertir les états.

Test de la matière dense chaude

Les impulsions laser ont été configurées pour bombarder des échantillons de cuivre éclairés pendant 15 femtosecondes. Les chercheurs ont répété ce processus à différentes intensités afin d’observer l’effet et la façon dont chaque réglage modifiait le taux de conversion de la matière. Ils ont constaté que l’impulsion laser à rayons X créait une forte ionisation.

Cette ionisation a entraîné l’expansion de la matière par les électrons à mesure que les températures augmentaient. En quelques secondes, la matière s’est convertie en WDM ionisé. À partir de là, elle est devenue transparente aux rayons X. Cette transition de l’absorption saturable (AS) à l’absorption saturable inversée (ASI) a suscité l’intérêt des chercheurs.

Mélange de données expérimentales avec des simulations

Le processus de test a été réalisé à l’aide de l’instrument Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) du European XFEL (EuXFEL). Cet emplacement offrait le cadre idéal pour que les chercheurs effectuent leurs expériences et enregistrent méticuleusement les résultats. Ils ont examiné précisément la quantité de rayonnement traversant la matière ainsi que ses changements d’ionisation.

Source – Nature

Il est à noter que les expériences ont nécessité que l’énergie des impulsions XFEL soit focalisée à travers des miroirs Kirkpatrick–Báez. Cette approche a permis à l’équipe de régler la taille du faisceau à 4 μm de largeur à mi-hauteur (FWHM). Une énergie d’impulsion de 2 mJ a été mesurée avec deux moniteurs à gaz de rayons X. Ces appareils étaient situés 2,3 m en aval du point d’interaction.

L’appareil a fait passer le laser à travers une fente d’entrée de 40 μm et un réseau de 1 200 lignes par mm. Une petite caméra CCD a également été introduite pour surveiller davantage le cuivre excité par les rayons X. À partir de là, l’équipe a appliqué les équations cinétiques de Boltzmann avec des extensions à température finie de la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) à température finie en espace réel pour obtenir leurs données finales. Une impulsion XFEL de 15 fs a ensuite été utilisée sur les bords du cuivre testés, où les mesures ont montré que l’intensité pouvait être doublée.

Logiciel BOLTZMANN SOLVER

Le solveur d’équations cinétiques de Boltzmann est un logiciel de simulation sur mesure qui permet de modéliser l’irradiation par impulsion X-ray sur un matériau en vrac. Le programme a été créé par le Prof. Ziaja-Motyka en 2004 et a été instrumental dans la recherche sur le WDM à ce jour. Les simulations ont permis aux ingénieurs de simuler les changements du niveau d’énergie du WDM en fonction de différentes intensités laser. Ce logiciel a fourni des informations précieuses et a permis d’économiser du temps, de l’argent et des ressources.

XANES

La spectroscopie de structure proche du bord d’absorption des rayons X (XANES) a également été intégrée au processus de test. Cette unité a surveillé l’état des électrons de valence et la structure atomique pendant l’expérimentation. Elle était idéalement adaptée à la tâche grâce à sa bande spectrale complète, ce qui a permis à l’équipe de mieux comprendre les étapes de transition du matériau.

Résultats

Les résultats des tests ont révélé certains détails clés du processus. Tout d’abord, l’intensité des rayons X a une corrélation directe avec l’ionisation. Ce processus entraîne des changements drastiques des niveaux d’énergie provoqués par les collisions d’atomes dans l’état excité. Le rythme et l’intensité de ces collisions étaient proportionnels à la quantité d’énergie fournie par l’impulsion laser.

Curieusement, l’équipe a remarqué qu’en dessous d’une intensité d’impulsion de 10^15 W cm⁻², un pic d’absorption peut être obtenu. Ils ont augmenté progressivement l’intensité du laser jusqu’à ce que l’équipement de test montre que la matière devient opaque. Lorsque l’intensité a été augmentée davantage, la matière est devenue transparente à l’impulsion laser. Ainsi, l’étude révèle qu’à un certain niveau d’énergie élevé, les rayons X ne peuvent plus être absorbés par le WDM.

Avantages

Cette recherche apporte plusieurs avantages au marché. Le nouveau système offre une compréhension plus approfondie du WDM, de sa formation et de ses capacités sous certains niveaux d’énergie. Les données fournies par les chercheurs aident les astrophysiciens et les ingénieurs nucléaires à mieux comprendre comment cet état de matière peut bénéficier au monde.

Comprendre la thermodynamique du WDM ouvre la porte à de nouvelles possibilités. Cette technologie permet de créer des matériaux plus résistants et des procédures de test améliorées. Ces avancées permettront aux humains de concevoir des engins spatiaux plus puissants et plus durables, capables de générer de l’énergie grâce à de nouvelles méthodes de fusion.

Chercheurs

La recherche a été menée par l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Nina Rohringer était la chercheuse principale. De plus, le Prof. Beata Ziaja-Motyka et le Dr Laurent Mercadier du European XFEL ont participé à l’étude, qui a été partiellement financée par l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences.

Entreprises pouvant bénéficier de cette étude

Plusieurs entreprises sont bien placées pour tirer parti de cette recherche, allant des sociétés aéronautiques à celles travaillant sur de nouvelles méthodes de fusion ; de nouvelles opportunités sont disponibles. Cette étude peut aider à améliorer les offres actuelles et à renforcer les produits à l’avenir. Ainsi, ces entreprises occupent des positions essentielles sur leur marché et sont considérées comme des placements positifs pour les investisseurs.

1. Exelon Corporation

EXC Graphique du prix

Exelon Corporation (EXC ) est entrée sur le marché en 2020 suite à la fusion de deux entreprises énergétiques de premier plan, PECO et Unicom. La société est l’un des plus grands fournisseurs d’énergie en Amérique du Nord et possède son siège à Chicago, IL. C’est une entreprise du Fortune 500 et est reconnue comme l’un des plus grands et des plus performants fournisseurs du marché. Elle met également fortement l’accent sur la communauté, avec plus de 20 000 employés dédiés au développement de la main‑d’œuvre et à l’engagement communautaire.

Exelon est une action judicieuse à ajouter à votre portefeuille. La société possède six services publics réglementés et contrôle plus de 101 milliards de dollars d’actifs. De plus, elle exploite 21 réacteurs nucléaires actifs répartis sur 12 centrales aux États‑Unis. Tous ces facteurs positionnent Exelon comme un pionnier du marché et un ajout avisé à votre portefeuille.

2. Lockheed Martin

LMT Graphique du prix

Lockheed Martin (LMT ) est officiellement entrée sur le marché suite à la fusion de Lockheed et Martin Marietta dans les années 1950. L’entreprise est un pionnier dans les secteurs de l’aérodynamique, militaire, propulsion, rotatif et spatial. En tant que telle, elle est particulièrement bien placée pour exploiter immédiatement les travaux des chercheurs.

Lockheed est responsable de certains des avions les plus emblématiques qui ont foulé le ciel. Elle détient également une part importante de l’industrie de la défense américaine, où elle est reconnue pour son aérospatiale de haute technologie. Une meilleure compréhension du WDM pourrait améliorer leurs offres de multiples façons. D’une part, cela pourrait ouvrir la voie à de nouveaux systèmes de propulsion. De plus, cela permettrait aux ingénieurs de modéliser des avions plus performants en utilisant de nouveaux processus et modèles.

Il est à noter que Lockheed Martin constitue une partie massive du complexe industriel américain. Elle emploie actuellement plus de 122 000 personnes à l’échelle mondiale et possède plus de 350 sites. Ces facteurs, combinés à une demande croissante pour ses produits suite aux préoccupations de contrôle qualité de Boeing, ont fait de Lockheed Martin un ajout judicieux à votre portefeuille.

Avenir de la recherche et des applications du WDM

Vous pouvez vous attendre à ce que les données recueillies dans le cadre de cette étude soient immédiatement exploitées dans de multiples industries. Les modèles créés aideront les chercheurs à faire progresser le domaine du façonnage d’impulsions X, ce qui améliorera considérablement les capacités de surveillance et offrira un aperçu de ce qui était auparavant invisible aux chercheurs.

Boucliers thermiques métalliques des engins spatiaux

Un endroit où le WDM est courant est lors de la rentrée d’un engin spatial dans l’atmosphère terrestre. Chaque fois qu’un vaisseau réentre dans l’atmosphère, la température et les radiations atteignent un niveau qui crée du WDM. La recherche présentée dans l’étude aidera les ingénieurs à concevoir des boucliers thermiques plus efficaces et plus résistants, capables de dissiper l’énergie du WDM en toute sécurité.

Fusion nucléaire contrôlée (ICF – Fusion par confinement inertiel)

Les chercheurs rêvent depuis longtemps d’une fusion nucléaire à faible coût. Cette recherche rapproche le monde d’un pas supplémentaire vers la compréhension et la réalisation de cet objectif. L’équipe a présenté des preuves substantielles et de nouvelles méthodes qui permettent aux futurs chercheurs de surveiller avec précision les changements atomiques afin de créer des modèles de fusion plus efficaces. Ainsi, cette recherche pourrait un jour conduire à une énergie propre pour tous.

Davantage de recherches sont nécessaires

L’étude a suscité un intérêt pour l’exploitation des capacités du WDM. Actuellement, la substance se trouve dans de petites étoiles, planètes, naines, interactions de faisceaux de particules, ablation de métaux et interactions avec des lasers intenses. Cette nouvelle méthode pourrait révéler encore davantage d’endroits où cette substance fondamentale de l’univers existe. Ainsi, les chercheurs se préparent à de nouveaux tests dans les semaines à venir, tandis que leurs résultats sont soumis à l’évaluation par les pairs.

Matière dense chaude (WDM) – encore beaucoup à apprendre

Il est fou de penser que les chercheurs ne commencent tout juste à comprendre le fonctionnement du WDM. Cet état de matière commun est au cœur de l’existence et plus les gens en comprennent, plus il devient évident qu’il pourrait débloquer des sources d’énergie dont la puissance dépasse de plusieurs ordres de grandeur celles actuellement utilisées. En conséquence, ces chercheurs méritent un hommage pour avoir aidé à éclairer l’un des mystères les plus anciens de l’univers.

Découvrez d’autres espaces sympas projets maintenant.