Röntgenlaser onthult nieuw inzicht in Warm Dense Matter

Een nieuwe studie die het gebruik van röntgenlasers om Warm Dense Matter (WDM) te bestuderen beschrijft, heeft velen in de sector enthousiast gemaakt. De onderzoekers maakten gebruik van de European XFEL om een reeks experimenten uit te voeren rond de mysterieuze toestand van materie. Dit is wat ze ontdekten.

Warm Dense Matter (WDM) toestand

De term “Warm Dense Matter” beschrijft een specifieke vorm van materie die niet direct in de huidige natuurkundige categorieën past. Warm dense matter wordt door velen gezien als een cruciaal bouwblok in het universum en het begrijpen ervan zou een dieper inzicht in de geschiedenis van het bestaan mogelijk maken. Opmerkelijk is dat het bestaan van deze materiaalsoort pas twee decennia geleden werd erkend.

Warm Dense Matter is overvloedig aanwezig in het universum. Deze unieke toestand kan worden gevonden op gasreuzen zoals Jupiter en zelfs in het centrum van bruine dwergsterren. Het bijzondere aan WDM is dat het een toestand is tussen plasma en een gecondenseerde fase. Hierdoor is het extreem moeilijk te reproduceren en speelt het een cruciale rol in de astrofysica, planeetwetenschap en kernsplijting.

Het aanvankelijke begrip van WDM was breed. Het groepeerde meerdere fenomenen met temperaturen variërend van enkele duizenden graden en hoge dichtheid. In de afgelopen 5 jaar is de definitie uitgebreid om hemellichamen op te nemen met een dichtheid tussen 0,01 en 100 g/cm³ en een temperatuur die meerdere duizenden kelvin (1‑100 eV) overschrijdt.

Huidige methoden voor het monitoren en creëren van WDM

Optische apparatuur werd in het verleden gebruikt om de warm dense matter-toestand te observeren. Deze benadering werd echter beperkt door de mogelijkheden van de apparatuur. Concreet kon het apparaat de energieniveaus op het piekniveau niet registreren en nauwkeurig monitoren.

Een andere momenteel gebruikte methode is röntgenemissiespectroscopie. Deze benadering werd 12 jaar geleden uitgevonden als een elektronenvrije alternatieve methode. In deze studie gebruiken onderzoekers X-ray free-electron lasers (XFEL’s) om hoogintensieve röntgenpulsen te genereren die één femtoseconde duren. Opmerkelijk is dat een femtosecondenlaser pulsen uitstoot die miljoenen van een miljardste van een seconde beslaan.

De introductie van betrouwbare XFEL-lasers stelde onderzoekers in staat hun studies naar de WDM-toestand verder uit te breiden. Concreet onderzochten ze de tijdelijke veranderingen en optische eigenschappen van materie die werd blootgesteld aan laser‑röntgenbestraling. Deze studies hebben de deur geopend voor nieuwe soorten X‑ray free‑electron lasers. Voor deze studie maakten onderzoekers gebruik van de mogelijkheid om veranderingen op atomische lengteschalen te meten om de omzetting van vaste materie naar de WDM-toestand nauwkeurig te documenteren met de European XFEL in Hamburg.

European XFEL-laser

De European XFEL-laser is een van slechts een tiental XFEL’s die wereldwijd in gebruik zijn. Dit geavanceerde apparaat werd gebouwd in samenwerking met het DESY-onderzoekscentrum. Het beschikt over een testgebied van 2,1 mijl lang, waarmee onderzoekers de elektronische en ionische structuur van materie kunnen monitoren terwijl deze zich omzet.

Warm Dense Matter‑studie

Tot nu toe zijn er niet veel studies uitgevoerd naar hoe de bestraling door deze nieuwe systemen materietoestanden kan veranderen op een registreerbare en traceerbare manier. Daarom probeerden de onderzoekers in detail te beschrijven hoe het gebruik van ultrafast X‑ray free‑electron laserpulsen koper kan omzetten in warm dense matter. Concreet beschrijft het team het gebruik van L‑edge röntgenabsorptiespectroscopie over een breed bereik van bestralingintensiteit om toestanden te converteren.

Warm Dense Matter‑test

De laserpulsen werden ingesteld om verlichte koperen monsters gedurende 15 femtoseconden te belichten. De onderzoekers herhaalden dit proces bij verschillende intensiteiten om het effect te zien en hoe elke aanpassing de materiaalomzettingssnelheid beïnvloedde. Ze merkten op dat de X‑ray laserpuls sterke ionisatie veroorzaakte.

Deze ionisatie zorgde ervoor dat elektronen de materie uitbreidden naarmate de temperaturen stegen. Binnen enkele seconden werd de materie omgezet in geïoniseerde WDM. Daarna werd het transparant voor X‑rays. Deze overgang van verzadigbare absorptie (SA) naar omgekeerde verzadigbare absorptie (RSA) wekte de interesse van de onderzoekers.

Combineren van experimentele gegevens met simulaties

Het testproces werd uitgevoerd met behulp van het Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) instrument van de European XFEL (EuXFEL). Deze locatie bood de perfecte plek voor onderzoekers om experimenten uit te voeren en de resultaten nauwkeurig vast te leggen. Ze onderzochten precies hoeveel straling door de materie ging en hoe de ionisatie veranderde.

Bron – Nature

Opmerkelijk is dat de experimenten vereisten dat de XFEL-pulsenergie werd gefocust via Kirkpatrick–Báez spiegels. Deze aanpak stelde het team in staat de bundelgrootte in te stellen op 4 μm full-width at half-maximum (FWHM). Een pulsenenergie van 2 mJ werd gemeten met twee X‑ray gasmonitoren. Deze apparaten bevonden zich 2,3 m stroomafwaarts van het interactiepunt.

Het apparaat leidde de laser door een ingangsspleet van 40 μm en een rooster met 1.200 lijnen per mm. Een miniatuur CCD‑camera werd eveneens geïntroduceerd om het X‑ray‑geëxciteerde koper verder te monitoren. Vervolgens paste het team kinetische Boltzmann‑vergelijkingen toe met eindige‑temperatuur‑uitbreidingen van DFT‑eindige‑temperatuur real‑space density‑functional theory om hun uiteindelijke gegevens te realiseren. Een 15 fs‑lange XFEL‑puls werd vervolgens gebruikt over de test‑koperranden, waarbij metingen aantoonden dat de intensiteit verdubbeld kon worden.

BOLTZMANN SOLVER‑software

De Boltzmann‑kinetische‑vergelijkingsoplosser is een op maat gemaakte simulatiesoftwarepakket dat modellering van x‑ray‑pulsbestraling op massamateriaal mogelijk maakt. Het programma werd in 2004 gecreëerd door Prof. Ziaja-Motyka en is tot nu toe van cruciaal belang geweest voor WDM-onderzoek. De simulaties stelden ingenieurs in staat veranderingen in het energieniveau van WDM te simuleren bij verschillende laserintensiteiten. Deze software leverde waardevolle inzichten en bespaarde tijd, geld en middelen.

XANES

X‑ray absorption near‑edge structure spectroscopy (XANES) werd ook geïntegreerd in het testproces. Deze eenheid monitorde de valentie‑elektronentoestand en de atomaire structuur tijdens de experimenten. Het was ideaal geschikt voor deze taak vanwege zijn volledige spectrale bandbreedte, waardoor het team de overgangsstadia van het materiaal beter kon begrijpen.

Resultaten

De testresultaten onthulden enkele belangrijke details over het proces. Ten eerste heeft de x‑ray‑intensiteit een directe correlatie met ionisatie. Dit proces veroorzaakt drastische veranderingen in de energieniveaus als gevolg van botsingen van atomen in de geëxciteerde toestand. Het tempo en de intensiteit van deze botsingen waren gerelateerd aan de hoeveelheid energie die de laserpuls leverde.

Interessant genoeg merkte het team op dat onder een pulsintensiteit van 10^15 W cm⁻² een absorptiepiekt kan worden verkregen. Ze verhoogden geleidelijk de laserintensiteit totdat de testapparatuur aantoonde dat de materie ondoorzichtig werd. Toen de intensiteit verder werd verhoogd, werd de materie transparant voor de laserpuls. Hierdoor toont de studie aan dat bij een bepaald hoog energieniveau x‑rays niet door WDM kunnen worden geabsorbeerd.

Voordelen

Dit onderzoek biedt verschillende voordelen voor de markt. Het nieuwe systeem levert een dieper begrip van WDM, hoe het ontstaat en zijn mogelijkheden onder bepaalde energieniveaus. De door onderzoekers geleverde gegevens helpen astrofysici en nucleaire ingenieurs beter te begrijpen hoe deze materiaalsoort de wereld kan bevoordelen.

Het begrijpen van de thermodynamica van WDM opent de deur naar nieuwe mogelijkheden. Deze technologie maakt sterkere materialen en testprocedures mogelijk. Deze stappen zullen mensen in staat stellen krachtigere en duurzamere ruimtevaartuigen te creëren die energie kunnen opwekken met nieuwe fusiemethoden.

Onderzoekers

Het onderzoek werd georganiseerd door het Institute of Nuclear Physics van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau. Nina Rohringer was de hoofdonderzoeker. Daarnaast namen Prof. Beata Ziaja-Motyka en Dr. Laurent Mercadier van de European XFEL deel aan de studie, die gedeeltelijk werd gefinancierd door het Institute of Nuclear Physics van de Poolse Academie van Wetenschappen.

Bedrijven die van deze studie kunnen profiteren

Verschillende bedrijven zijn gepositioneerd om te profiteren van dit onderzoek, variërend van luchtvaartbedrijven tot bedrijven die werken aan nieuwe fusiemethoden; er zijn nieuwe kansen beschikbaar. Deze studie kan helpen de huidige aanbiedingen te verbeteren en toekomstige producten te versterken. Hierdoor hebben deze bedrijven een cruciale positie in hun markt en worden ze gezien als positieve posities voor handelaren.

1. Exelon Corporation

EXC Prijsgrafiek

Exelon Corporation (EXC ) betrad de markt in 2020 na de fusie van twee prominente energiebedrijven, PECO en Unicom. Het bedrijf is een van de grootste energieleveranciers in Noord-Amerika en heeft zijn hoofdkantoor in Chicago, IL. Het is een Fortune‑500‑bedrijf en wordt erkend als een van de grootste en meest succesvolle aanbieders op de markt. Het heeft ook een sterke focus op de gemeenschap, met meer dan 20.000 werknemers die zich inzetten voor personeelsontwikkeling en gemeenschapsactiviteiten.

Exelon is een slimme aandelenkeuze om aan uw portefeuille toe te voegen. Het bedrijf heeft zes gereguleerde nutsbedrijven en beheert meer dan $101 miljard aan activa. Bovendien heeft het 21 actieve kernreactoren verspreid over 12 energiecentrales in de VS. Al deze factoren positioneren Exelon als een marktpionier en een verstandige toevoeging aan uw portefeuille.

2. Lockheed Martin

LMT Prijsgrafiek

Lockheed Martin (LMT ) trad officieel de markt binnen na de fusie van Lockheed en Martin Marietta in de jaren 1950. Het bedrijf is een pionier op het gebied van aerodynamica, defensie, aandrijving, roterende systemen en de ruimtevaartsector. Hierdoor is het uniek gepositioneerd om de inspanningen van de onderzoekers direct te benutten.

Lockheed is verantwoordelijk voor enkele van de meest iconische vliegtuigen die de lucht in gaan. Ze hebben ook een grote aandeel in de Amerikaanse defensie-industrie, waar ze bekend staan om hun high‑tech aeronautica. Een beter begrip van WDM kan hun aanbod op verschillende manieren verbeteren. Ten eerste kan het de deur openen naar nieuwe voortstuwingssystemen. Daarnaast stelt het ingenieurs in staat om effectievere vliegtuigen te modelleren met behulp van nieuwe processen en modellen.

Opmerkelijk is dat Lockheed Martin een enorm onderdeel is van het Amerikaanse industriële complex. Het heeft momenteel meer dan 122.000 werknemers wereldwijd en meer dan 350 faciliteiten. Deze factoren, gecombineerd met een groeiende vraag naar haar producten na kwaliteitscontroverse bij Boeing, maken Lockheed Martin tot een verstandige toevoeging aan uw portefeuille.

Toekomst van WDM-onderzoek en -toepassingen

U kunt verwachten dat de gegevens die uit deze studie zijn verzameld, onmiddellijk nuttig worden ingezet in verschillende sectoren. De ontwikkelde modellen zullen onderzoekers helpen de gebieden van X‑ray‑puls‑vormgeving verder te ontwikkelen, wat de monitoringsmogelijkheden drastisch zal verbeteren en een kijkje biedt in wat ooit onzichtbaar was voor onderzoekers.

Metallische hitteschilden van ruimtevaartuigen

Een situatie waarin WDM veel voorkomt, is wanneer een ruimtevaartuig de atmosfeer van de aarde binnenkomt. Telkens wanneer een vaartuig de aardse atmosfeer herintreedt, bereiken temperatuur en straling een niveau dat WDM creëert. Het onderzoek dat in de studie wordt gepresenteerd, zal ingenieurs helpen om efficiëntere en sterkere hitteschilden voor ruimtevaartuigen te ontwikkelen die de WDM‑energie veilig kunnen afvoeren.

Geregelde kernfusie (ICF – Inertial Confinement Fusion)

Onderzoekers dromen al lange tijd van goedkope kernfusie. Dit onderzoek brengt de wereld een stap dichter bij het begrijpen en realiseren van dat doel. Het team heeft overtuigend bewijs en nieuwe methoden gepresenteerd die toekomstige onderzoekers in staat stellen atomische veranderingen nauwkeurig te monitoren om effectievere fusiemodellen te creëren. Hierdoor kan dit onderzoek op een dag leiden tot schone energie voor iedereen.

Meer onderzoek is nodig

De studie heeft belangstelling gewekt voor het benutten van de mogelijkheden van WDM. Momenteel kan de substantie worden aangetroffen in kleine sterren, planeten, dwergen, interacties met deeltjesbundels, ablatie van metalen en intense laserinteracties. Deze nieuwe methode kan nog meer locaties onthullen waar deze universum‑vormende substantie bestaat. Daarom bereiden onderzoekers zich voor op meer tests in de komende weken terwijl hun bevindingen peer‑review ondergaan.

Warm Dense Matter (WDM) – nog veel te leren

Het is verbazingwekkend om te bedenken dat onderzoekers pas nu beginnen te begrijpen hoe WDM werkt. Deze veelvoorkomende materiaalsoort ligt aan de basis van het bestaan en hoe meer mensen erover leren, hoe duidelijker wordt dat het energiebronnen kan ontsluiten die vele malen krachtiger zijn dan de huidige. Daarom verdienen deze onderzoekers een hulde voor het verhelderen van een van de oudste mysteries van het universum.

Leer meer over andere coole ruimte projecten nu.