Røntgenlaser avslører ny innsikt i varm tett materie

En ny studie som detaljert beskriver bruk av røntgenlasere for å studere Warm Dense Matter (WDM) har mange i sektoren begeistret. Forskerne benyttet den europeiske XFEL for å gjennomføre en rekke eksperimenter rundt den gåtefulle tilstanden av materie. Her er hva de oppdaget.

Warm Dense Matter (WDM) tilstand

Begrepet «Warm Dense Matter» beskriver et spesielt sett av materie som ikke faller direkte inn i nåværende fysikkategorier. Warm dense matter blir av mange sett på som en avgjørende byggestein i universet, og å forstå den vil gi dypere innsikt i eksistensens historie. Merk at eksistensen av denne materialtilstanden først ble anerkjent for to tiår siden.

Warm Dense Matter er rikelig i universet. Denne unike tilstanden kan finnes på gassplaneter som Jupiter og til og med i sentrum av brune dvergstjerner. Det unike med WDM er at den er en tilstand mellom plasma og en kondensert fase. Som sådan er den ekstremt vanskelig å gjenskape og spiller en viktig rolle i astrofysikk, planetvitenskap og kjernefysisk fisjon.

Den første forståelsen av WDM var bred. Den samlet flere fenomener med temperaturer fra noen tusen grader og høy tetthet. I løpet av de siste fem årene har definisjonen blitt utvidet til å inkludere himmellegemer med en tetthet mellom 0,01 og 100 g/cm³ og en temperatur som overstiger flere tusen kelvin (1‑100 eV).

Nåværende metoder for overvåking og skapelse av WDM

Optisk utstyr har blitt brukt til å observere den varme tette materietilstanden tidligere. Denne tilnærmingen var imidlertid begrenset av utstyrets kapasitet. Spesielt kunne enheten ikke registrere og nøyaktig overvåke energinivåene på topp.

En annen metode som brukes i dag er røntgenutslippsspektroskopi. Denne tilnærmingen ble oppfunnet for 12 år siden som et elektronfritt alternativ. I denne studien benytter forskerne X‑ray free‑electron Lasers (XFELs) for å generere høyintensive røntgenpulser som varer i ett enkelt femtosekund. Merk at en femtosekundlaser sender pulser som strekker seg over milliondeler av en milliarddel av et sekund.

Innføringen av pålitelige XFEL-lasere gjorde det mulig for forskerne å videreutvikle sine studier av WDM-tilstanden. Spesielt undersøkte de den transiente endringen og de optiske egenskapene til materie utsatt for laser‑røntgenirradiasjon. Disse studiene har åpnet døren for nye typer X‑ray free‑electron lasere. For denne studien utnyttet forskerne evnen til å måle endringer på atomisk lengdeskala for nøyaktig å dokumentere omdannelsen av fast materie til WDM-tilstand ved bruk av den europeiske XFEL i Hamburg.

European XFEL Laser

European XFEL Laser er en av kun et dusin XFEL-er i drift globalt. Denne avanserte enheten ble konstruert i samarbeid med forskningssenteret DESY. Den har et 2,1 miles langt testområde som gjør det mulig for forskere å overvåke den elektroniske og ioniske strukturen til materie mens den konverteres.

Warm Dense Matter‑studie

Hittil har det ikke vært mange studier som har undersøkt hvordan strålingen fra disse nye systemene kan endre materietilstander på en registrerbar og sporbar måte. Derfor søkte forskerne å detaljere hvordan bruk av ultrarask røntgen free‑electron laser‑pulser kan konvertere kobber til varm tett materie. Spesielt beskriver teamet bruken av L‑edge røntgenabsorpsjonsspektroskopi over et stort intensitetsområde for å konvertere tilstander.

Warm Dense Matter‑test

Laserpulser ble satt opp til å pulsere opplyste kobberprøver i 15 femtosekunder. Forskerne gjentok prosessen ved ulike intensiteter for å se effekten og hvordan hver justering påvirket konverteringshastigheten. De observerte at røntgenlaserpulsen skapte sterk ionisering.
Denne ioniseringen førte til at elektroner utvidet materien etter hvert som temperaturene steg. Innen sekunder ble materien omdannet til ionisert WDM. Derfra ble den gjennomsiktig for røntgenstråler. Denne overgangen fra metningsabsorpsjon (SA) til revers metningsabsorpsjon (RSA) vekket forskernes interesse.

Blanding av eksperimentelle data med simuleringer

Testprosessen ble utført ved bruk av Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS)-instrumentet ved European XFEL (EuXFEL). Denne lokasjonen ga det perfekte stedet for forskere å gjennomføre eksperimenter og nøye registrere resultatene. De undersøkte nøyaktig hvor mye stråling som passerte gjennom materien samt dens ioniseringsendringer.

Merk at eksperimentene krevde at XFEL‑pulsenergien ble fokusert gjennom Kirkpatrick–Báez speil. Denne tilnærmingen gjorde det mulig for teamet å sette strålebredde til 4 μm full bredde ved halv maksimal (FWHM). En pulsenergi på 2 mJ ble målt med to røntgen gassmonitorer. Disse enhetene var plassert 2,3 m nedstrøms fra interaksjonspunktet.
Enheten førte laserstrålen gjennom en inngangsspalte på 40 μm og et gitter med 1 200 linjer per mm. Et lite CCD‑kamera ble også introdusert for å videre overvåke den røntgen‑eksiterte kobberen. Derfra anvendte teamet kinetiske Boltzmann‑likninger med temperatur‑utvidelser av DFT‑temperatur‑reellrom‑densitetsfunksjonsteori for å oppnå sine endelige data. En 15 fs‑lang XFEL‑puls ble deretter brukt over test‑kobberkantene, hvor målinger viste at intensiteten kunne dobles.

BOLTZMANN SOLVER‑programvare

Boltzmann‑kinetisk likningsløser er en spesiallaget simuleringsprogramvare som gjør det mulig å modellere røntgenpuls‑irradiasjon på bulk‑materiale. Programmet ble laget av Prof. Ziaja-Motyka i 2004 og har vært sentralt i WDM‑forskning til dags dato. Simuleringene tillot ingeniører å simulere endringer i energinivået til WDM ved ulike laserintensiteter. Denne programvaren ga verdifull innsikt og sparte tid, penger og ressurser.

XANES

Røntgenabsorpsjon nær‑kant‑struktur‑spektroskopi (XANES) ble også integrert i testprosessen. Denne enheten overvåket valenselektronens tilstand og den atomære strukturen under eksperimenteringen. Den var ideelt egnet for oppgaven på grunn av sin fulle spektrale båndbredde, som gjorde det mulig for teamet å bedre forstå de overgangsstadiene i materialet.

Resultater

Testresultatene avdekket noen viktige detaljer om prosessen. For det første har røntgenintensitet en direkte korrelasjon til ionisering. Denne prosessen forårsaker drastiske endringer i energinivåene som følge av kollisjoner mellom atomer i den eksiterte tilstanden. Hastigheten og intensiteten av disse kollisjonene var relatert til mengden energi laserpulsen leverte.
Interessant nok observerte teamet at under en pulsintensitet på 10^15 W cm⁻² kan et absorpsjonstopp oppnås. De økte gradvis laserintensiteten til testutstyret viste at materien ble ugjennomsiktig. Når intensiteten øktes ytterligere, ble materien gjennomsiktig for laserpulsen. Dermed viser studien at ved et visst høyt energinivå kan ikke røntgenstråler absorberes av WDM.

Fordeler

Det er flere fordeler som denne forskningen bringer til markedet. Det nye systemet gir en dypere forståelse av WDM, hvordan den dannes, og dens evner under bestemte energinivåer. Dataene som forskerne leverer hjelper astrofysikere og kjerneingeniører med å bedre forstå hvordan denne materietilstanden kan være til nytte for verden.
Forståelse av termodynamikken til WDM åpner døren for nye muligheter. Denne teknologien muliggjør sterkere materialer og testprosedyrer. Disse skrittene vil gjøre det mulig for mennesker å lage kraftigere og mer holdbare romfartøy som kan generere energi ved bruk av nye fusjonsmetoder.

Forskere

Forskningen ble arrangert av Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Kraków. Nina Rohringer var hovedforsker. I tillegg deltok Prof. Beata Ziaja-Motyka og Dr. Laurent Mercadier fra European XFEL i studien, som delvis ble finansiert av Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences.

Selskaper som kan ha nytte av denne studien

Flere selskaper er i posisjon til å dra nytte av denne forskningen, fra luftfartsselskaper til de som arbeider med nye fusjonsmetoder; nye muligheter er tilgjengelige. Denne studien kan bidra til å forbedre nåværende tilbud og styrke produkter i fremtiden. Dermed har disse selskapene viktige posisjoner i sitt marked og blir sett på som positive investeringer for tradere.

1. Exelon Corporation

EXC Prisdiagram

Exelon Corporation (EXC ) gikk inn i markedet i 2020 etter fusjonen av to høyt profilerte energiselskaper, PECO og Unicom. Selskapet er en av de største energileverandørene i Nord-Amerika og har hovedkontor i Chicago, IL. Det er et Fortune 500‑selskap og er anerkjent som en av de største og mest suksessrike leverandørene i markedet. Det har også et sterkt fokus på samfunnet, med over 20 000 ansatte dedikert til arbeidsstyrkeutvikling og samfunnsengasjement.
Exelon er en smart aksje å legge til i porteføljen din. Selskapet har seks regulerte verktøy og kontrollerer over 101 milliarder dollar i eiendeler. I tillegg har det 21 aktive kjernekraftverk fordelt på 12 kraftverk i USA. Alle disse faktorene gjør Exelon til en markedsleder og et klokt tillegg til porteføljen din.

2. Lockheed Martin

LMT Prisdiagram

Lockheed Martin (LMT ) gikk offisielt inn i markedet etter fusjonen av Lockheed og Martin Marietta på 1950‑tallet. Selskapet er en pioner innen aerodynamikk, militær, driv, roterende og romsektorer. Som sådan er det unikt posisjonert til umiddelbart å utnytte forskernes innsats.
Lockheed er ansvarlig for noen av de mest ikoniske flyene som har tatt til himmelen. De har også en betydelig andel i den amerikanske forsvarsindustrien, hvor de er kjent for sin høyteknologiske luftfart. En bedre forståelse av WDM kan forbedre deres tilbud på mange måter. For det første kan det åpne døren for nye fremdriftssystemer. I tillegg vil det tillate ingeniører å modellere mer effektive fly ved bruk av nye prosesser og modeller.
Merk at Lockheed Martin er en massiv del av det amerikanske industrikomplekset. De sysselsetter for tiden over 122 000 personer globalt og har mer enn 350 fasiliteter. Disse faktorene, i tillegg til en økende etterspørsel etter deres produkter etter kvalitetskontrollproblemer fra Boeing, har gjort Lockheed Martin til et klokt tillegg til porteføljen din.

Fremtiden for WDM‑forskning og -applikasjoner

Du kan forvente at dataene samlet inn fra denne studien blir tatt i bruk umiddelbart på tvers av flere industrier. Modellene som blir laget vil hjelpe forskere med å videreutvikle feltet røntgenpuls‑forming, noe som vil drastisk forbedre overvåkingskapasiteten og gi et innblikk i det som tidligere var usynlig for forskere.

Metalliske varmeskjold for romfartøy

Et sted hvor WDM er vanlig er når et romfartøy går inn i jordens atmosfære. Når et fartøy går tilbake inn i atmosfæren, når temperatur og stråling et nivå som skaper WDM. Forskningen presentert i studien vil hjelpe ingeniører med å lage mer effektive og sterkere varmeskjold for romfartøy som trygt kan spre WMD‑energien.

Kontrollert kjernefysisk fusjon (ICF – inertial konfinement fusjon)

Forskere har lenge drømt om billig kjernefysisk fusjon. Denne forskningen bringer verden ett skritt nærmere forståelse og oppnåelse av dette målet. Teamet har fremlagt betydelige bevis og nye metoder som gjør det mulig for fremtidige forskere å nøyaktig overvåke atomære endringer for å lage mer effektive fusjonsmodeller. Som sådan kan denne forskningen en dag føre til ren energi for alle.

Mer forskning er nødvendig

Studien har vekket interesse for å utnytte WDM‑s evner. For øyeblikket kan stoffet finnes i små stjerner, planeter, dverger, partikkelstråleinteraksjoner, avspaltning av metaller og intens laserinteraksjon. Denne nye metoden kan avdekke enda flere steder hvor dette universbyggende stoffet finnes. Derfor forbereder forskerne seg på mer testing i de kommende ukene mens funnene deres gjennomgår fagfellevurdering.

Warm Dense Matter (WDM) – fortsatt mye å lære

Det er sprøtt å tenke på at forskere først nå blir klar over hvordan WDM fungerer. Denne vanlige materialtilstanden er kjernen i eksistensen, og jo flere som forstår den, desto tydeligere blir det at den kan låse opp energikilder som er størrelsesordener høyere enn de som brukes i dag. Som sådan fortjener disse forskerne en hyllest for å ha bidratt til å kaste lys over en av universets eldste gåter.

Lær om andre kule rom prosjekter nå.