Laser Sinar-X Mengungkap Wawasan Baru tentang Materi Padat Hangat

Sebuah studi baru yang merinci penggunaan laser sinar-X untuk mempelajari Materi Padat Hangat (WDM) telah membuat banyak orang di sektor ini bersemangat. Para peneliti memanfaatkan European XFEL untuk melakukan serangkaian percobaan terkait keadaan materi yang misterius ini. Berikut temuan mereka.

Materi Padat Hangat (WDM) State

Istilah “Materi Padat Hangat” menggambarkan suatu jenis materi khusus yang tidak masuk langsung ke dalam kategori fisika saat ini. Materi padat hangat dianggap oleh banyak orang sebagai blok bangunan penting di alam semesta dan memahaminya akan memungkinkan wawasan yang lebih dalam tentang sejarah keberadaan. Secara khusus, keberadaan keadaan materi ini baru diakui dua dekade yang lalu.

Materi Padat Hangat melimpah di alam semesta. Keadaan unik ini dapat ditemukan pada planet gas seperti Jupiter dan bahkan di inti bintang kerdil coklat. Hal unik tentang WDM adalah ia berada di antara plasma dan fase terkondensasi. Oleh karena itu, sangat sulit untuk direproduksi dan memainkan peran penting dalam astrofisika, ilmu planet, dan fisi nuklir.

Pemahaman awal tentang WDM bersifat luas. Ia mengelompokkan berbagai fenomena dengan suhu berkisar antara beberapa ribu derajat dan kepadatan tinggi. Selama 5 tahun terakhir, definisinya telah diperluas untuk mencakup benda-benda langit dengan kepadatan antara 0,01 hingga 100 g/cm³ dan suhu melebihi beberapa ribu kelvin (1-100 eV).

Metode Saat Ini untuk Memantau dan Membuat WDM

Peralatan optik telah digunakan untuk mengamati keadaan materi padat hangat di masa lalu. Namun, pendekatan ini terbatas oleh kemampuan peralatan. Secara khusus, perangkat tersebut tidak dapat merekam dan memantau tingkat energi pada puncaknya secara akurat.

Metode lain yang saat ini digunakan adalah spektroskopi emisi sinar-X. Pendekatan ini diciptakan 12 tahun yang lalu sebagai alternatif tanpa elektron. Dalam studi ini, peneliti menggunakan Laser Sinar-X Bebas Elektron (XFEL) untuk menghasilkan pulsa sinar-X intensitas tinggi yang berlangsung selama satu femtodetik. Secara khusus, laser femtodetik mengirimkan pulsa yang berlangsung dalam jutaan miliar detik.

Pengenalan laser XFEL yang handal memungkinkan peneliti memperdalam studi mereka tentang keadaan WDM. Secara khusus, mereka meneliti perubahan transien dan sifat optik materi yang terpapar radiasi laser sinar-X. Studi ini membuka jalan bagi jenis laser bebas elektron sinar-X baru. Untuk studi ini, peneliti memanfaatkan kemampuan mengukur perubahan pada skala panjang atom untuk mendokumentasikan secara akurat konversi materi padat menjadi keadaan WDM menggunakan European XFEL di Hamburg.

Laser European XFEL

Laser European XFEL adalah salah satu dari hanya selusin XFEL yang beroperasi secara global. Perangkat canggih ini dibangun bekerja sama dengan pusat riset DESY. Ia memiliki area pengujian sepanjang 2,1 mil yang memungkinkan peneliti memantau struktur elektronik dan ionik materi saat berubah.

Studi Materi Padat Hangat

Hingga saat ini, belum banyak studi yang dilakukan tentang bagaimana iradiasi sistem baru ini dapat mengubah keadaan materi secara dapat direkam dan dilacak. Oleh karena itu, para peneliti berusaha rincian bagaimana penggunaan pulsa laser sinar-X bebas elektron ultracepat dapat mengubah tembaga menjadi materi padat hangat. Secara khusus, tim menjelaskan penggunaan spektroskopi penyerapan sinar-X tepi L pada rentang intensitas iradiasi yang luas untuk mengubah keadaan.

Uji Materi Padat Hangat Test

Pulses laser diatur untuk menembakkan sampel tembaga yang diterangi selama 15 femtodetik. Para peneliti mengulangi proses ini pada intensitas yang berbeda untuk melihat efek dan bagaimana setiap penyesuaian memengaruhi laju konversi materi. Mereka memperhatikan bahwa pulsa laser sinar-X menghasilkan ionisasi yang kuat.

Ionisasi ini menyebabkan elektron memperluas materi seiring suhu naik. Dalam hitungan detik, materi berubah menjadi WDM terionisasi. Dari situ, materi menjadi transparan terhadap sinar-X. Transisi dari absorpsi jenuh (SA) ke absorpsi jenuh terbalik (RSA) menarik minat peneliti.

Menggabungkan Data Eksperimen dengan Simulasi

Proses pengujian dilakukan menggunakan instrumen Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) di European XFEL (EuXFEL). Lokasi ini menyediakan tempat yang sempurna bagi peneliti untuk melakukan eksperimen dan mencatat hasil secara teliti. Mereka memeriksa secara tepat berapa banyak radiasi yang melewati materi serta perubahan ionisasinya.

Sumber – Nature

Secara khusus, eksperimen memerlukan energi pulsa XFEL difokuskan melalui cermin Kirkpatrick–Báez. Pendekatan ini memungkinkan tim mengatur ukuran berkas menjadi 4 μm lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM). Energi pulsa sebesar 2 mJ diukur dengan dua monitor gas sinar-X. Perangkat ini terletak 2,3 m hilir dari titik interaksi.

Perangkat tersebut melewatkan laser melalui celah masuk 40 μm dan kisi dengan 1.200 garis per mm. Kamera CCD miniatur juga diperkenalkan untuk memantau tembaga yang dipicu sinar-X. Dari situ, tim menerapkan persamaan Boltzmann kinetik dengan ekstensi suhu hingga DFT real-space density-functional theory suhu tinggi untuk menghasilkan data akhir mereka. Pulses XFEL sepanjang 15 fs kemudian digunakan pada tepi tembaga uji, di mana pengukuran menunjukkan intensitas dapat digandakan.

Perangkat Lunak BOLTZMANN SOLVER

Solver persamaan kinetik Boltzmann adalah paket perangkat lunak simulasi buatan khusus yang memungkinkan pemodelan iradiasi pulsa sinar-X pada material bulk. Program ini dibuat oleh Prof. Ziaja-Motyka pada tahun 2004 dan telah menjadi instrumen penting dalam riset WDM hingga kini. Simulasi memungkinkan insinyur mensimulasikan perubahan tingkat energi WDM terhadap intensitas laser yang berbeda. Perangkat lunak ini memberikan wawasan berharga serta menghemat waktu, uang, dan sumber daya.

XANES

Spektroskopi struktur penyerapan sinar-X dekat tepi (XANES) juga diintegrasikan ke dalam proses pengujian. Unit ini memantau keadaan elektron valensi dan struktur atom selama eksperimen. Ia sangat cocok untuk tugas tersebut berkat lebar spektral penuh, yang memungkinkan tim lebih memahami tahap transisi material.

Hasil

Hasil pengujian mengungkap beberapa detail penting tentang proses tersebut. Pertama, intensitas sinar-X memiliki korelasi langsung dengan ionisasi. Proses ini menyebabkan perubahan drastis pada tingkat energi yang dipicu oleh tumbukan atom dalam keadaan tereksitasi. Kecepatan dan intensitas tumbukan tersebut berhubungan dengan jumlah energi yang diberikan oleh pulsa laser.

Menariknya, tim memperhatikan bahwa di bawah intensitas pulsa 10^15 W cm⁻², puncak absorpsi dapat diperoleh. Mereka secara bertahap meningkatkan intensitas laser hingga peralatan pengujian menunjukkan materi menjadi buram. Ketika intensitas ditingkatkan lebih jauh, materi menjadi transparan terhadap pulsa laser. Oleh karena itu, studi ini mengungkap bahwa pada tingkat energi tinggi tertentu sinar-X tidak dapat diserap oleh WDM.

Manfaat

Ada beberapa manfaat yang dibawa penelitian ini ke pasar. Sistem baru memberikan pemahaman yang lebih dalam tentang WDM, cara terbentuknya, dan kemampuannya di bawah tingkat energi tertentu. Data yang disediakan peneliti membantu astrofisikawan dan insinyur nuklir lebih memahami bagaimana keadaan materi ini dapat menguntungkan dunia.

Memahami termodinamika WDM membuka pintu bagi kemungkinan baru. Teknologi ini memungkinkan material yang lebih kuat dan prosedur pengujian yang lebih baik. Langkah-langkah ini akan memungkinkan manusia menciptakan pesawat luar angkasa yang lebih kuat dan tahan lama yang dapat menghasilkan energi menggunakan metode fusi baru.

Peneliti

Penelitian ini diselenggarakan oleh Institut Fisika Nuklir Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia (IFJ PAN) di Krakow. Nina Rohringer adalah peneliti utama. Selain itu, Prof. Beata Ziaja-Motyka dan Dr. Laurent Mercadier dari European XFEL berpartisipasi dalam studi yang sebagian dibiayai oleh Institut Fisika Nuklir Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia.

Perusahaan yang Dapat Memanfaatkan Studi Ini

Beberapa perusahaan berada dalam posisi untuk memanfaatkan penelitian ini, mulai dari perusahaan aeronautika hingga yang bekerja pada metode fusi baru, peluang baru tersedia. Studi ini dapat membantu meningkatkan penawaran saat ini dan meningkatkan produk di masa depan. Oleh karena itu, perusahaan-perusahaan ini memegang posisi penting di pasar mereka dan dianggap sebagai pilihan positif bagi para trader.

1. Exelon Corporation

EXC Grafik Harga

Exelon Corporation (EXC ) memasuki pasar pada tahun 2020 setelah merger dua perusahaan energi profil tinggi, PECO dan Unicom. Perusahaan ini merupakan salah satu pemasok energi terbesar di Amerika Utara dan berkantor pusat di Chicago, IL. Ini adalah perusahaan Fortune 500 dan diakui sebagai salah satu penyedia terbesar dan paling sukses di pasar. Ia juga memiliki fokus kuat pada komunitas, dengan lebih dari 20.000 karyawan yang berdedikasi pada pengembangan tenaga kerja dan kegiatan sosial.

Exelon merupakan saham cerdas untuk ditambahkan ke portofolio Anda. Perusahaan memiliki enam utilitas yang diatur dan mengendalikan lebih dari $101 Miliar aset. Selain itu, ia memiliki 21 reaktor nuklir yang aktif di 12 pembangkit listrik di AS. Semua faktor ini menempatkan Exelon sebagai pelopor pasar dan tambahan yang bijaksana untuk portofolio Anda.

2. Lockheed Martin

LMT Grafik Harga

Lockheed Martin (LMT ) secara resmi memasuki pasar setelah merger Lockheed dan Martin Marietta pada tahun 1950-an. Perusahaan ini merupakan pelopor di sektor aerodinamika, militer, penggerak, rotary, dan luar angkasa. Oleh karena itu, ia berada dalam posisi unik untuk memanfaatkan upaya peneliti secara langsung.

Lockheed bertanggung jawab atas beberapa pesawat paling ikonik yang meluncur ke langit. Mereka juga memiliki saham besar dalam industri pertahanan AS di mana mereka dikenal karena aeronautika berteknologi tinggi. Pemahaman yang lebih baik tentang WDM dapat meningkatkan penawaran mereka dalam berbagai cara. Misalnya, hal ini dapat membuka pintu bagi sistem propulsi baru. Juga, hal ini akan memungkinkan insinyur memodelkan pesawat yang lebih efektif menggunakan proses dan model baru.

Secara khusus, Lockheed Martin merupakan bagian besar dari kompleks industri AS. Saat ini mereka mempekerjakan lebih dari 122.000 orang secara global dan memiliki lebih dari 350 fasilitas. Faktor-faktor ini, ditambah permintaan yang meningkat untuk produk mereka setelah kekhawatiran kontrol kualitas dari Boeing, menjadikan Lockheed Martin tambahan yang bijaksana untuk portofolio Anda.

Masa Depan Penelitian dan Aplikasi WDM

Anda dapat mengharapkan data yang dikumpulkan dari studi ini segera digunakan secara luas di berbagai industri. Model yang dibuat akan membantu peneliti mengembangkan bidang pembentukan pulsa sinar-X, yang akan secara drastis meningkatkan kemampuan pemantauan dan memberikan gambaran tentang apa yang sebelumnya tidak terlihat oleh peneliti.

Perisai Panas Logam pada Pesawat Luar Angkasa

Salah satu tempat di mana WDM umum terjadi adalah ketika pesawat luar angkasa masuk kembali ke atmosfer Bumi. Setiap kali sebuah pesawat kembali masuk ke atmosfer bumi, suhu dan radiasi mencapai tingkat yang menciptakan WDM. Penelitian yang dipaparkan dalam studi ini akan membantu insinyur menciptakan perisai panas pesawat luar angkasa yang lebih efisien dan kuat yang dapat menyebarkan energi WDM dengan aman.

Fusi Nuklir Terkendali (ICF – Inertial Confinement Fusion)

Para peneliti telah lama bermimpi tentang fusi nuklir berbiaya rendah. Penelitian ini membawa dunia selangkah lebih dekat untuk memahami dan mencapai tujuan tersebut. Tim telah menyajikan bukti substansial dan metode baru yang memungkinkan peneliti masa depan memantau perubahan atom secara akurat untuk menciptakan model fusi yang lebih efektif. Oleh karena itu, penelitian ini suatu hari dapat menghasilkan energi bersih untuk semua orang.

Diperlukan Lebih Banyak Penelitian

Studi ini telah memicu minat dalam memanfaatkan kemampuan WDM. Saat ini, zat tersebut dapat ditemukan di bintang kecil, planet, kerdil, interaksi berkas partikel, ablasi logam, dan interaksi laser intens. Metode baru ini dapat mengungkap lebih banyak lokasi di mana zat pembangun alam semesta ini ada. Oleh karena itu, peneliti sedang mempersiapkan lebih banyak pengujian dalam beberapa minggu mendatang sementara temuan mereka menjalani tinjauan sejawat.

Materi Padat Hangat (WDM) – Masih Banyak yang Harus Dipelajari

Memang luar biasa bahwa peneliti baru saja menyadari cara kerja WDM. Keadaan material umum ini berada di inti keberadaan dan semakin banyak orang memahaminya, semakin jelas bahwa ia dapat membuka sumber daya energi yang berukuran beberapa orde magnitudo lebih besar daripada yang saat ini digunakan. Oleh karena itu, para peneliti ini pantas mendapat penghormatan atas bantuan mereka dalam menerangi salah satu misteri tertua alam semesta.

Pelajari proyek luar angkasa keren lainnya  sekarang.