Laser de Raios X Revela Nova Perspectiva sobre Matéria Densa Quente

A new study detailing the use of X-ray lasers to study Warm Dense Matter (WDM) has many in the sector excited. The researchers utilized the European XFEL to conduct a series of experiments surrounding the mysterious state of matter. Here’s what they discovered.

Estado da Matéria Densa Quente (WDM)

O termo “Matéria Densa Quente” descreve um conjunto particular de matéria que não se enquadra diretamente nas categorias atuais da física. A matéria densa quente é vista por muitos como um bloco de construção crucial no universo e compreendê‑la permitiria uma visão mais profunda da história da existência. Notavelmente, a existência desse estado material só foi reconhecida há duas décadas.

A Matéria Densa Quente é abundante no universo. Esse estado único pode ser encontrado em planetas gasosos como Júpiter e até no centro de estrelas anãs marrons. O aspecto único da WDM é que ela é um estado entre o plasma e uma fase condensada. Como tal, é extremamente difícil de recriar e desempenha um papel vital em astrofísica, ciência planetária e fissão nuclear.

A compreensão inicial da WDM era ampla. Ela agrupava múltiplos fenômenos que apresentavam temperaturas entre alguns milhares de graus e alta densidade. Nos últimos 5 anos, a definição foi ampliada para incluir corpos celestes com densidade entre 0,01 e 100 g/cm³ e temperatura superior a vários milhares de kelvins (1‑100 eV).

Métodos Atuais de Monitoramento e Criação de WDM

Equipamentos ópticos foram usados para observar o estado de matéria densa quente no passado. No entanto, essa abordagem era limitada pelas capacidades do equipamento. Especificamente, o dispositivo não podia registrar e monitorar com precisão os níveis de energia no pico.

Outro método atualmente usado é a espectroscopia de emissão de raios X. Essa abordagem foi inventada há 12 anos como uma alternativa livre de elétrons. Neste estudo, os pesquisadores utilizam Lasers de elétrons livres de raios X (XFELs) para gerar pulsos de raios X de alta intensidade com duração de um único femtossegundo. Notavelmente, um laser de femtossegundo emite pulsos que abrangem milionésimos de um bilionésimo de segundo.

A introdução de lasers XFEL confiáveis permitiu que os pesquisadores avançassem em seus estudos sobre o estado WDM. Especificamente, eles examinaram a mudança transitória e as propriedades ópticas da matéria exposta à irradiação de raios X por laser. Esses estudos abriram caminho para novos tipos de lasers de elétrons livres de raios X. Para este estudo, os pesquisadores aproveitaram a capacidade de medir mudanças em escalas atômicas para documentar com precisão a conversão de matéria sólida para o estado WDM usando o European XFEL em Hamburgo.

Laser European XFEL

O Laser European XFEL é um dos apenas uma dúzia de XFELs em operação globalmente. Este dispositivo avançado foi construído em colaboração com o centro de pesquisa DESY. Ele possui uma área de teste de 2,1 milhas de comprimento que permite aos pesquisadores monitorar a estrutura eletrônica e iônica da matéria enquanto ela se converte.

Estudo da Matéria Densa Quente

Até o momento, não foram realizados muitos estudos sobre como a irradiação desses novos sistemas pode alterar os estados da matéria de maneira registrável e rastreável. Assim, os pesquisadores buscaram detalhar como o uso de pulsos ultrarrápidos de laser de elétrons livres de raios X pode converter cobre em matéria densa quente. Especificamente, a equipe detalha o uso da espectroscopia de absorção de raios X na borda L ao longo de uma ampla faixa de intensidade de irradiação para converter os estados.

Teste da Matéria Densa Quente

Os pulsos de laser foram configurados para disparar amostras de cobre iluminadas por 15 femtossegundos. Os pesquisadores repetiram esse processo em diferentes intensidades para observar o efeito e como cada ajuste alterava a taxa de conversão da matéria. Eles observaram que o pulso de laser de raios X criou forte ionização.

Essa ionização fez com que os elétrons expandissem a matéria à medida que as temperaturas aumentavam. Em poucos segundos, a matéria foi convertida em WDM ionizado. A partir daí, tornou‑se transparente aos raios X. Essa transição de absorção saturável (SA) para absorção saturável reversa (RSA) despertou o interesse dos pesquisadores.

Misturando Dados Experimentais com Simulações

O processo de teste foi realizado usando o instrumento de Espectroscopia e Dispersão Coerente (SCS) do European XFEL (EuXFEL). Este local ofereceu o ponto perfeito para os pesquisadores conduzirem experimentos e registrarem os resultados meticulosamente. Eles examinaram precisamente quanta radiação atravessou a matéria, bem como suas mudanças de ionização.

Fonte – Nature

Notavelmente, os experimentos exigiram que a energia do pulso XFEL fosse focalizada através de espelhos Kirkpatrick–Báez. Essa abordagem permitiu à equipe definir o tamanho do feixe em 4 μm de largura total na metade do máximo (FWHM). Uma energia de pulso de 2 mJ foi medida com dois monitores de gás de raios X. Esses dispositivos estavam localizados a 2,3 m a jusante do ponto de interação.

O dispositivo fez o laser passar por uma fenda de entrada de 40 μm e uma grade com 1.200 linhas por mm. Uma câmera CCD miniaturizada também foi introduzida para monitorar ainda mais o cobre excitado por raios X. A partir daí, a equipe aplicou equações cinéticas de Boltzmann com extensões de temperatura finita da teoria do funcional da densidade em espaço real (DFT) de temperatura finita para obter seus dados finais. Um pulso XFEL de 15 fs foi então usado nas bordas do cobre de teste, onde as medições mostraram que a intensidade poderia ser dobrada.

Software BOLTZMANN SOLVER

O solucionador da equação cinética de Boltzmann é um pacote de software de simulação feito sob medida que permite modelar a irradiação de pulsos de raios X em material em massa. O programa foi criado pelo Prof. Ziaja-Motyka em 2004 e tem sido fundamental na pesquisa de WDM até hoje. As simulações permitiram que engenheiros simulassem mudanças no nível de energia da WDM em relação a diferentes intensidades de laser. Esse software forneceu insights valiosos e economizou tempo, dinheiro e recursos.

XANES

A espectroscopia de absorção de raios X próximo à borda (XANES) também foi integrada ao processo de teste. Esta unidade monitorou o estado dos elétrons de valência e a estrutura atômica durante a experimentação. Ela era ideal para a tarefa devido à sua largura de banda espectral completa, o que permitiu à equipe compreender melhor as fases de transição do material.

Resultados

Os resultados dos testes revelaram alguns detalhes‑chave sobre o processo. Primeiro, a intensidade dos raios X tem correlação direta com a ionização. Esse processo causa mudanças drásticas nos níveis de energia provocadas por colisões de átomos no estado excitado. O ritmo e a intensidade dessas colisões eram proporcionais à quantidade de energia fornecida pelo pulso do laser.

Curiosamente, a equipe percebeu que abaixo de uma intensidade de pulso de 10^15 W cm⁻², pode ser obtido um pico de absorção. Eles aumentaram gradualmente a intensidade do laser até que o equipamento de teste mostrasse a matéria tornando‑se opaca. Quando a intensidade foi aumentada ainda mais, a matéria tornou‑se transparente ao pulso de laser. Assim, o estudo revela que, em determinado nível alto de energia, os raios X não podem ser absorvidos pela WDM.

Benefícios

Existem vários benefícios que esta pesquisa traz ao mercado. O novo sistema oferece uma compreensão mais profunda da WDM, como ela se forma e suas capacidades sob certos níveis de energia. Os dados fornecidos pelos pesquisadores ajudam astrofísicos e engenheiros nucleares a entender melhor como esse estado da matéria pode beneficiar o mundo.

Compreender a termodinâmica da WDM abre portas para novas possibilidades. Essa tecnologia permite materiais mais resistentes e procedimentos de teste aprimorados. Esses passos permitirão que os humanos criem espaçonaves mais poderosas e duradouras, que poderiam gerar energia usando novos métodos de fusão.

Pesquisadores

A pesquisa foi hospedada pelo Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Nina Rohringer foi a pesquisadora principal. Além disso, a Prof. Beata Ziaja-Motyka e o Dr. Laurent Mercadier, do European XFEL, participaram do estudo, que foi parcialmente financiado pelo Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências.

Empresas que Podem se Beneficiar deste Estudo

Várias empresas estão posicionadas para capitalizar esta pesquisa, desde companhias aeronáuticas até aquelas que trabalham com novos métodos de fusão, surgindo novas oportunidades. Este estudo pode ajudar a melhorar as ofertas atuais e aprimorar produtos no futuro. Assim, essas empresas ocupam posições vitais em seus mercados e são vistas como boas opções para investidores.

1. Exelon Corporation

EXC Gráfico de preços

A Exelon Corporation (EXC ) entrou no mercado em 2020 após a fusão de duas empresas de energia de alto perfil, PECO e Unicom. A empresa é um dos maiores fornecedores de energia na América do Norte e tem sede em Chicago, IL. É uma empresa Fortune 500 e é reconhecida como um dos maiores e mais bem‑sucedidos provedores no mercado. Também tem forte foco na comunidade, com mais de 20 mil funcionários dedicados ao desenvolvimento da força de trabalho e à promoção de iniciativas comunitárias.

A Exelon é uma ação inteligente para adicionar ao seu portfólio. A empresa possui seis concessionárias reguladas e controla mais de US$ 101 bilhões em ativos. Além disso, possui 21 reatores nucleares ativos em 12 usinas nos EUA. Todos esses fatores posicionam a Exelon como pioneira no mercado e uma adição sábia ao seu portfólio.

2. Lockheed Martin

LMT Gráfico de preços

A Lockheed Martin (LMT ) entrou oficialmente no mercado após a fusão da Lockheed e da Martin Marietta na década de 1950. A empresa é pioneira nos setores de aerodinâmica, militar, propulsão, rotativo e espacial. Como tal, está posicionada de forma única para aproveitar imediatamente os esforços dos pesquisadores.

A Lockheed é responsável por alguns dos aviões mais icônicos que cruzaram os céus. Ela também possui uma participação importante na indústria de defesa dos EUA, onde é conhecida por sua aeronáutica de alta tecnologia. Uma melhor compreensão da WDM poderia melhorar sua oferta de várias maneiras. Por exemplo, poderia abrir caminho para novos sistemas de propulsão. Além disso, permitiria que engenheiros modelassem aeronaves mais eficazes usando novos processos e modelos.

Notavelmente, a Lockheed Martin é uma parte enorme do complexo industrial dos EUA. Atualmente emprega mais de 122 mil pessoas globalmente e possui mais de 350 instalações. Esses fatores, além de uma demanda crescente por seus produtos após preocupações de controle de qualidade da Boeing, fizeram da Lockheed Martin uma adição sábia ao seu portfólio.

Futuro da Pesquisa e Aplicações de WDM

Você pode esperar que os dados coletados neste estudo sejam imediatamente aplicados em várias indústrias. Os modelos criados ajudarão os pesquisadores a avançar nos campos de modelagem de pulsos de raios X, o que melhorará drasticamente as capacidades de monitoramento e oferecerá uma visão do que antes era invisível aos pesquisadores.

Escudos Térmicos Metálicos de Espaçonaves

Um local onde a WDM é comum é quando uma espaçonave entra na atmosfera da Terra. Sempre que uma nave reentra na atmosfera terrestre, a temperatura e a radiação atingem um nível que cria WDM. A pesquisa apresentada no estudo ajudará os engenheiros a criar escudos térmicos de espaçonaves mais eficientes e resistentes, capazes de dispersar a energia da WDM com segurança.

Fusão Nuclear Controlada (ICF – Fusão por Confinamento Inercial)

Os pesquisadores há muito sonham com fusão nuclear de baixo custo. Esta pesquisa leva o mundo um passo mais próximo de compreender e alcançar esse objetivo. A equipe apresentou evidências substanciais e novos métodos que permitem que futuros pesquisadores monitorem mudanças atômicas com precisão para criar modelos de fusão mais eficazes. Assim, essa pesquisa pode, um dia, levar a energia limpa para todos.

Mais Pesquisa é Necessária

O estudo despertou interesse em aproveitar as capacidades da WDM. Atualmente, a substância pode ser encontrada em estrelas pequenas, planetas, anãs, interações de feixes de partículas, ablação de metais e interação com lasers intensos. Este novo método pode revelar ainda mais locais onde essa substância formadora do universo existe. Assim, os pesquisadores estão se preparando para mais testes nas próximas semanas, enquanto suas descobertas passam por revisão por pares.

Matéria Densa Quente (WDM) – Ainda Há Muito a Aprender

É impressionante pensar que os pesquisadores só agora estão percebendo como a WDM funciona. Esse estado material comum está no cerne da existência e, quanto mais as pessoas o compreendem, mais evidente se torna que ele pode desbloquear fontes de energia que são ordens de magnitude superiores às atualmente em uso. Assim, esses pesquisadores merecem uma saudação por ajudar a esclarecer um dos mistérios mais antigos do universo.

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