Il laser a raggi X rivela nuove intuizioni sulla materia densa calda

Un nuovo studio che dettaglia l’uso dei laser a raggi X per studiare la Materia Densa Calda (WDM) ha entusiasmato molti nel settore. I ricercatori hanno utilizzato l’European XFEL per condurre una serie di esperimenti sul misterioso stato della materia. Ecco cosa hanno scoperto.

Stato della Materia Densa Calda (WDM)

Il termine “Materia Densa Calda” descrive un particolare insieme di materia che non rientra direttamente nelle categorie della fisica attuale. La materia densa calda è considerata da molti come un blocco costitutivo cruciale dell’universo e comprenderla consentirebbe una più profonda intuizione sulla storia dell’esistenza. È importante notare che l’esistenza di questo stato materiale è stata riconosciuta solo due decenni fa.

La Materia Densa Calda è abbondante nell’universo. Questo stato unico può essere trovato su pianeti gassosi come Giove e persino al centro delle stelle nane brune. La particolarità della WDM è che è uno stato intermedio tra plasma e una fase condensata. Perciò è estremamente difficile da ricreare e svolge un ruolo vitale in astrofisica, scienza planetaria e fissione nucleare.

La comprensione iniziale della WDM era ampia. Raggruppava molteplici fenomeni con temperature che variavano da qualche migliaio di gradi a densità elevate. Negli ultimi 5 anni, la definizione è stata ampliata per includere corpi celesti con una densità compresa tra 0,01 e 100 g/cm³ e una temperatura superiore a diverse migliaia di kelvin (1‑100 eV).

Metodi attuali di monitoraggio e creazione della WDM

In passato sono stati utilizzati apparecchi ottici per osservare lo stato della materia densa calda. Tuttavia, questo approccio era limitato dalle capacità dell’apparecchiatura. In particolare, il dispositivo non poteva registrare e monitorare accuratamente i livelli di energia al picco.

Un altro metodo attualmente impiegato è la spettroscopia di emissione a raggi X. Questo approccio è stato inventato 12 anni fa come alternativa priva di elettroni. In questo studio, i ricercatori utilizzano laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) per generare impulsi X‑ray ad alta intensità della durata di un femtosecondo. È notevole che un laser femtosecondo invia impulsi che durano milioni di miliardesimi di secondo.

L’introduzione di laser XFEL affidabili ha permesso ai ricercatori di approfondire lo studio dello stato WDM. In particolare, hanno esaminato il cambiamento transitorio e le proprietà ottiche della materia esposta a irradiazione laser‑X‑ray. Questi studi hanno aperto la porta a nuovi tipi di laser a elettroni liberi. Per questo studio, i ricercatori hanno sfruttato la capacità di misurare cambiamenti su scala atomica per documentare accuratamente la conversione della materia solida nello stato WDM usando l’European XFEL di Amburgo.

Laser European XFEL

Il Laser European XFEL è uno dei soli una dozzina di XFEL in funzione a livello globale. Questo dispositivo avanzato è stato costruito in collaborazione con il centro di ricerca DESY. Dispone di un’area di test lunga 2,1 miglia che consente ai ricercatori di monitorare la struttura elettronica e ionica della materia durante la sua conversione.

Studio sulla Materia Densa Calda

Finora non sono stati condotti molti studi su come l’irradiazione di questi nuovi sistemi possa alterare gli stati della materia in modo registrabile e tracciabile. Perciò i ricercatori hanno cercato di dettagliare come l’uso di impulsi ultraveloci di laser a elettroni liberi a raggi X possa convertire il rame in materia densa calda. In particolare, il team descrive l’uso della spettroscopia di assorbimento X‑ray al bordo L su un ampio intervallo di intensità di irradiazione per convertire gli stati.

Test della Materia Densa Calda

Gli impulsi laser sono stati impostati per colpire campioni di rame illuminati per 15 femtosecondi. I ricercatori hanno ripetuto questo processo a diverse intensità per osservare l’effetto e come ogni regolazione influenzasse il tasso di conversione della materia. Hanno notato che l’impulso laser a raggi X creava una forte ionizzazione.

Questa ionizzazione ha provocato l’espansione degli elettroni nella materia man mano che le temperature aumentavano. In pochi secondi, la materia è stata convertita in WDM ionizzata. Da lì, è diventata trasparente ai raggi X. Questa transizione dall’assorbimento saturabile (SA) all’assorbimento saturabile inverso (RSA) ha suscitato l’interesse dei ricercatori.

Miscelazione di dati sperimentali con simulazioni

Il processo di test è stato eseguito utilizzando lo strumento Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) dell’European XFEL (EuXFEL). Questa sede ha fornito il luogo perfetto per i ricercatori per condurre esperimenti e registrare meticolosamente i risultati. Hanno esaminato con precisione quanta radiazione attraversava la materia così come i suoi cambiamenti di ionizzazione.

Fonte – Nature

È notevole che gli esperimenti richiedessero che l’energia dell’impulso XFEL fosse focalizzata attraverso specchi Kirkpatrick–Báez. Questo approccio ha permesso al team di impostare la dimensione del fascio a 4 μm di larghezza a metà altezza (FWHM). Un’energia dell’impulso di 2 mJ è stata misurata con due monitor a gas X‑ray. Questi dispositivi erano situati a 2,3 m a valle del punto di interazione.

Il dispositivo ha fatto passare il laser attraverso una fenditura d’ingresso di 40 μm e una griglia con 1.200 linee per mm. È stata inoltre introdotta una mini‑camera CCD per monitorare ulteriormente il rame eccitato dai raggi X. Da lì, il team ha applicato equazioni di Boltzmann cinetiche con estensioni a temperatura finita della teoria del funzionale della densità a spazio reale a temperatura finita (DFT) per realizzare i dati finali. Un impulso XFEL della durata di 15 fs è stato poi usato sui bordi del rame di prova, dove le misurazioni hanno mostrato che l’intensità poteva essere raddoppiata.

Software BOLTZMANN SOLVER

Il risolutore dell’equazione cinetica di Boltzmann è un pacchetto software di simulazione personalizzato che consente la modellazione dell’irradiazione da impulsi X‑ray su materiale a massa. Il programma è stato creato dal Prof. Ziaja‑Motyka nel 2004 ed è stato fondamentale nella ricerca sulla WDM fino ad oggi. Le simulazioni hanno permesso agli ingegneri di simulare i cambiamenti nel livello energetico della WDM rispetto a diverse intensità laser. Questo software ha fornito preziose intuizioni e ha fatto risparmiare tempo, denaro e risorse.

XANES

La spettroscopia di assorbimento a raggi X vicino al bordo (XANES) è stata anch’essa integrata nel processo di test. Questa unità monitorava lo stato degli elettroni di valenza e la struttura atomica durante la sperimentazione. Era ideale per il compito grazie alla sua ampia larghezza di banda spettrale, che ha permesso al team di comprendere meglio le fasi transitorie del materiale.

Risultati

I risultati del test hanno rivelato alcuni dettagli chiave sul processo. Per prima cosa, l’intensità dei raggi X ha una correlazione diretta con l’ionizzazione. Questo processo provoca cambiamenti drastici nei livelli energetici dovuti alle collisioni degli atomi nello stato eccitato. Il ritmo e l’intensità di queste collisioni erano proporzionali alla quantità di energia fornita dall’impulso laser.

Curiosamente, il team ha osservato che al di sotto di un’intensità dell’impulso di 10^15 W cm⁻², è possibile ottenere un picco di assorbimento. Hanno aumentato gradualmente l’intensità del laser finché l’apparecchiatura di test mostrava la materia diventare opaca. Quando l’intensità è stata ulteriormente aumentata, la materia è diventata trasparente all’impulso laser. Pertanto, lo studio rivela che a un certo livello di energia elevata i raggi X non possono più essere assorbiti dalla WDM.

Benefici

Questa ricerca porta diversi vantaggi al mercato. Il nuovo sistema fornisce una comprensione più profonda della WDM, di come si forma e delle sue capacità sotto determinati livelli energetici. I dati forniti dai ricercatori aiutano astrofisici e ingegneri nucleari a comprendere meglio come questo stato di materia possa avvantaggiare il mondo.

Comprendere la termodinamica della WDM apre la porta a nuove possibilità. Questa tecnologia consente materiali più resistenti e procedure di test più avanzate. Questi progressi permetteranno all’umanità di creare veicoli spaziali più potenti e duraturi, con la capacità di generare energia mediante nuovi metodi di fusione.

Ricercatori

La ricerca è stata ospitata dall’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia. Nina Rohringer è stata la ricercatrice principale. Inoltre, il Prof. Beata Ziaja‑Motyka e il Dr. Laurent Mercadier dell’European XFEL hanno partecipato allo studio, parzialmente finanziato dall’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze.

Aziende che potrebbero beneficiare di questo studio

Diversi gruppi sono in posizione di capitalizzare su questa ricerca, dai settori aeronautici a quelli che lavorano su nuovi metodi di fusione; sono disponibili nuove opportunità. Questo studio può aiutare a migliorare le offerte attuali e potenziare i prodotti in futuro. Pertanto, queste aziende occupano posizioni vitali nei loro mercati e sono viste come opportunità positive per gli investitori.

1. Exelon Corporation

(EXC )

Exelon Corporation è entrata sul mercato nel 2020 a seguito della fusione di due importanti società energetiche, PECO e Unicom. L’azienda è uno dei maggiori fornitori di energia in Nord America e ha sede a Chicago, IL. È una società Fortune 500 e riconosciuta come uno dei fornitori più grandi e di maggior successo sul mercato. Ha anche un forte impegno verso la comunità, con oltre 20 000 dipendenti dedicati allo sviluppo della forza lavoro e all’impegno comunitario.

Exelon è un titolo intelligente da aggiungere al tuo portafoglio. L’azienda possiede sei utility regolamentate e controlla oltre 101 miliardi di dollari di asset. Inoltre, gestisce 21 reattori nucleari attivi in 12 centrali elettriche negli Stati Uniti. Tutti questi fattori posizionano Exelon come pioniere di mercato e un’aggiunta saggia al tuo portafoglio.

2. Lockheed Martin

(LMT )

Lockheed Martin è entrata ufficialmente sul mercato a seguito della fusione di Lockheed e Martin Marietta negli anni 1950. L’azienda è pioniera nei settori aerodinamica, militare, propulsione, rotante e spaziale. Perciò è posizionata in modo unico per sfruttare immediatamente gli sforzi dei ricercatori.

Lockheed è responsabile di alcuni degli aerei più iconici che hanno solcato il cielo. Ha anche una quota importante nell’industria della difesa statunitense, dove è nota per la sua aeronautica ad alta tecnologia. Una migliore comprensione della WDM potrebbe migliorare la loro offerta in numerosi modi. Per esempio, potrebbe aprire la porta a nuovi sistemi di propulsione. Inoltre, consentirebbe agli ingegneri di modellare aerei più efficaci usando nuovi processi e modelli.

È notevole che Lockheed Martin sia una parte enorme del complesso industriale statunitense. Attualmente impiega più di 122 000 persone a livello globale e dispone di oltre 350 strutture. Questi fattori, insieme a una crescente domanda dei suoi prodotti a seguito di preoccupazioni di controllo qualità da parte di Boeing, hanno reso Lockheed Martin un’aggiunta saggia al tuo portafoglio.

Futuro della ricerca e delle applicazioni della WDM

Ci si può aspettare che i dati raccolti da questo studio vengano subito messi a frutto in diversi settori. I modelli creati aiuteranno i ricercatori a far progredire i campi della modellazione di impulsi X‑ray, migliorando drasticamente le capacità di monitoraggio e offrendo uno sguardo su ciò che un tempo era invisibile ai ricercatori.

Scudi termici metallici per veicoli spaziali

Un luogo in cui la WDM è comune è quando un veicolo spaziale rientra nell’atmosfera terrestre. Ogni volta che un veicolo rientra, la temperatura e le radiazioni raggiungono livelli che creano WDM. La ricerca presentata nello studio aiuterà gli ingegneri a creare scudi termici per veicoli spaziali più efficienti e più resistenti, capaci di disperdere in sicurezza l’energia della WDM.

Fusione nucleare controllata (ICF – Fusione a confinamento inerziale)

I ricercatori sognano da tempo una fusione nucleare a basso costo. Questa ricerca avvicina il mondo di un passo verso la comprensione e il raggiungimento di quell’obiettivo. Il team ha presentato prove sostanziali e nuovi metodi che consentono ai futuri ricercatori di monitorare con precisione i cambiamenti atomici per creare modelli di fusione più efficaci. Pertanto, questa ricerca potrebbe un giorno portare a energia pulita per tutti.

Ulteriori ricerche sono necessarie

Lo studio ha suscitato interesse nello sfruttare le capacità della WDM. Attualmente, la sostanza può essere trovata in piccole stelle, pianeti, nane, interazioni di fasci di particelle, ablazione di metalli e intense interazioni laser. Questo nuovo metodo potrebbe rivelare ulteriori luoghi in cui questa sostanza che costruisce l’universo esiste. Pertanto, i ricercatori stanno preparando ulteriori test nelle prossime settimane mentre i loro risultati sono sottoposti a revisione paritaria.

Materia Densa Calda (WDM) – Ancora molto da imparare

È sorprendente pensare che i ricercatori stiano appena ora comprendendo come funziona la WDM. Questo stato materiale comune è al centro dell’esistenza e più le persone lo comprendono, più diventa evidente che potrebbe sbloccare fonti di energia di ordine di grandezza molto superiore a quelle attualmente in uso. Perciò questi ricercatori meritano un plauso per aver contribuito a far luce su uno dei più antichi misteri dell’universo.

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