X-Ray Laser Nagbubunyag ng Bagong Pananaw sa Warm Dense Matter

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.

Kalagayan ng Warm Dense Matter (WDM)

Ang terminong “Warm Dense Matter” ay naglalarawan ng isang tiyak na uri ng materya na hindi direktang nababagay sa kasalukuyang mga kategorya ng pisika. Maraming nakikita ang warm dense matter bilang isang mahalagang sangkap sa uniberso at ang pag-unawa dito ay magbibigay ng mas malalim na pananaw sa kasaysayan ng pag-iral. Kapansin-pansin, ang pag-iral ng estadong materyal na ito ay kinilala lamang dalawang dekada na ang nakalilipas.

Ang Warm Dense Matter ay sagana sa uniberso. Ang natatanging estadong ito ay matatagpuan sa mga gasong planeta tulad ng Jupiter at kahit sa gitna ng mga brown dwarf na bituin. Ang kakaiba sa WDM ay ito ay isang estado sa pagitan ng plasma at ng isang kondensadong yugto. Dahil dito, napakahirap itong muling likhain at may mahalagang papel sa astrophysics, planetary science, at nuclear fission.

Ang paunang pag-unawa sa WDM ay malawak. Pinagsama nito ang maraming phenomena na may temperatura mula ilang libong degree hanggang mataas na densidad. Sa nakalipas na 5 taon, pinalawak ang depinisyon upang isama ang mga celestial bodies na may densidad mula 0.01 hanggang 100 g/cm³ at temperatura na lampas sa ilang libong kelvin (1-100 eV).

Kasalukuyang Mga Pamamaraan sa Pagsubaybay at Paglikha ng WDM

Ang mga optical na kagamitan ay ginamit noon upang obserbahan ang estado ng warm dense matter. Gayunpaman, limitado ito ng kakayahan ng kagamitan. Partikular, hindi kayang irehistro at tumpak na subaybayan ng aparato ang antas ng enerhiya sa tugatog.

Isa pang kasalukuyang ginagamit na pamamaraan ay X-ray emission spectroscopy. Ang pamamaraang ito ay imbento 12 taon na ang nakalipas bilang isang alternatibong walang electron. Sa pag-aaral na ito, gumamit ang mga mananaliksik ng X-ray free-electron Lasers (XFELs) upang lumikha ng mataas na intensity na X-ray pulses na tumatagal ng isang femtosecond. Kapansin-pansin, ang femtosecond laser ay nagpapadala ng mga pulse na sumasaklaw sa milyong-biyes ng isang segundo.

Ang pagpapakilala ng maaasahang XFEL lasers ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na palalimin ang kanilang pag-aaral sa estado ng WDM. Partikular, sinuri nila ang pansamantalang pagbabago at mga optical na katangian ng materya na nasailalim sa laser X-ray irradiation. Binuksan ng mga pag-aaral na ito ang pinto para sa mga bagong uri ng X-ray free-electron lasers. Para sa pag-aaral na ito, ginamit ng mga mananaliksik ang kakayahang sukatin ang mga pagbabago sa atomic na sukat upang tumpak na idokumento ang pag-convert ng solidong materya tungong estado ng WDM gamit ang European XFEL sa Hamburg.

European XFEL Laser

Ang European XFEL Laser ay isa sa tanging dose na XFEL na gumagana sa buong mundo. Ang advanced na aparatong ito ay itinayo sa pakikipagtulungan sa DESY research center. Mayroon itong 2.1 milyang mahabang testing area na nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na subaybayan ang electronic at ionic na estruktura ng materya habang ito ay nagbabago.

Pag-aaral ng Warm Dense Matter

Hanggang ngayon, iilan lamang ang mga pag-aaral na isinagawa kung paano maaaring baguhin ng iradiyon ng mga bagong sistemang ito ang mga estado ng materya sa isang maitatala at masusubaybaring paraan. Dahil dito, sinikap ng mga mananaliksik na detalye kung paano ang paggamit ng ultrafast X-ray free-electron laser pulses ay maaaring i-convert ang copper tungong warm dense matter. Partikular, inilalahad ng koponan ang paggamit ng L-edge X-ray absorption spectroscopy sa malawak na saklaw ng intensity ng iradiyon upang i-convert ang mga estado.

Pagsubok ng Warm Dense Matter 

Ang mga laser pulse ay inihanda upang patamaan ang mga copper sample na naliwanagan sa loob ng 15 femtoseconds. Inulit ng mga mananaliksik ang prosesong ito sa iba’t ibang intensity upang makita ang epekto at kung paano ang bawat pag-aayos ay nakaapekto sa bilis ng pag-convert ng materya. Napansin nila na ang X-ray laser pulse ay lumikha ng malakas na ionisasyon.
Ang ionisasyong ito ay nagdulot ng paglawak ng mga electron sa materya habang tumataas ang temperatura. Sa loob ng ilang segundo, ang materya ay na-convert tungong ionisadong WDM. Mula roon, naging transparent ito sa X-rays. Ang paglipat mula sa saturable absorption (SA) tungong reverse saturable absorption (RSA) ay nagpasigla ng interes ng mga mananaliksik.

Pagsasama ng Eksperimental na Datos sa Simulasyon

Ang proseso ng pagsubok ay isinagawa gamit ang Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) instrument ng European XFEL (EuXFEL). Ang lokasyong ito ay nagbigay ng perpektong lugar para sa mga mananaliksik na magsagawa ng mga eksperimento at maingat na itala ang mga resulta. Sinuri nila nang eksakto kung gaano karaming radiation ang dumaan sa materya pati na rin ang mga pagbabago sa ionisasyon nito.

Pinagmulan – Nature

Kapansin-pansin, ang mga eksperimento ay nagkinailangan na ang XFEL pulse energy ay ituon sa pamamagitan ng Kirkpatrick–Báez mirrors. Ang pamamaraang ito ay nagbigay-daan sa koponan na itakda ang laki ng beam sa 4 μm full-width at half-maximum (FWHM). Nasukat ang pulse energy na 2 mJ gamit ang dalawang X-ray gas monitor. Ang mga aparatong ito ay matatagpuan 2.3 m pababa mula sa interaction point.

Ang aparato ay pinasa ang laser sa isang entrance slit na 40 μm at isang grating na may 1,200 linya bawat mm. Isang maliit na CCD camera din ang ipinakilala upang higit na subaybayan ang X-ray-excited copper. Mula roon, inapply ng koponan ang kinetic Boltzmann equations na may finite-temperature extensions ng DFT finite-temperature real-space density-functional theory upang makamit ang kanilang huling datos. Isang 15-fs-long XFEL pulse ang ginamit sa mga test copper edges, kung saan ipinakita ng mga sukat na maaaring doblehin ang intensity.

Software na BOLTZMANN SOLVER

Ang Boltzmann kinetic equation solver ay isang custom-made na simulation software package na nagbibigay-daan sa pagmomodelo ng x-ray pulse irradiation sa bulk material. Ang programa ay nilikha ni Prof. Ziaja-Motyka noong 2004 at naging mahalaga sa pananaliksik ng WDM hanggang ngayon. Pinahintulutan ng mga simulation ang mga inhinyero na magsimula ng mga pagbabago sa antas ng enerhiya ng WDM laban sa iba’t ibang laser intensities. Ang software na ito ay nagbigay ng mahalagang pananaw at nakatipid ng oras, pera, at mga mapagkukunan.

XANES

Ang X-ray absorption near-edge structure spectroscopy (XANES) ay isinama rin sa proseso ng pagsubok. Ang yunit na ito ay nagmonitor sa estado ng valence electron at ang atomic na estruktura habang isinasagawa ang eksperimento. Ito ay perpektong angkop para sa gawain dahil sa buong spectral bandwidth nito, na nagbigay-daan sa koponan na mas maunawaan ang mga transitional stage ng materyal.

Mga Resulta

Ang mga resulta ng pagsubok ay nagbunyag ng ilang mahahalagang detalye tungkol sa proseso. Una, ang x-ray intensity ay may direktang kaugnayan sa ionisasyon. Ang prosesong ito ay nagdudulot ng malalaking pagbabago sa antas ng enerhiya na dulot ng mga banggaan ng mga atom sa excited state. Ang bilis at intensity ng mga bangga ay nakadepende sa dami ng enerhiya na ibinigay ng laser pulse.
Kagiliw-giliw, napansin ng koponan na sa ibaba ng pulse intensity na 10^15 W cm−2, maaaring makuha ang isang absorption peak. Dahan-dahang tumaas nila ang laser intensity hanggang sa ipinakita ng kagamitan na ang materya ay nagiging opaque. Nang tumaas pa ang intensity, ang materya ay naging transparent sa laser pulse. Dahil dito, ipinapakita ng pag-aaral na sa isang tiyak na mataas na antas ng enerhiya, hindi na kayang i-absorb ng WDM ang x-rays.

Mga Benepisyo

May ilang benepisyo na hatid ng pananaliksik na ito sa merkado. Ang bagong sistema ay nagbibigay ng mas malalim na pag-unawa sa WDM, kung paano ito nabubuo, at ang mga kakayahan nito sa ilalim ng tiyak na antas ng enerhiya. Ang datos na ibinigay ng mga mananaliksik ay tumutulong sa mga astrophysicist at nuclear engineer na mas maunawaan kung paano maaaring makinabang ang mundong ito mula sa estadong materyal.
Ang pag-unawa sa thermodynamics ng WDM ay nagbubukas ng pinto sa mga bagong posibilidad. Ang teknolohiyang ito ay nagbibigay-daan sa mas matitibay na materyales at mga proseso ng pagsubok. Ang mga hakbang na ito ay magpapahintulot sa tao na lumikha ng mas makapangyarihan at mas matagal na tumagal na spacecraft na maaaring mag-generate ng enerhiya gamit ang mga bagong pamamaraan ng fusion.

Mga Mananaliksik

Ang pananaliksik ay pinangunahan ng Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) sa Krakow. Si Nina Rohringer ang nanguna sa pananaliksik. Bukod dito, sina Prof. Beata Ziaja-Motyka at Dr. Laurent Mercadier mula sa European XFEL ay lumahok sa pag-aaral na bahagyang pinondohan ng Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences.

Mga Kumpanya na Maaaring Makinabang Mula sa Pag-aaral na Ito

Maraming kumpanya ang nasa posisyon upang makinabang mula sa pananaliksik na ito, mula sa mga kumpanyang pang-aeronautics hanggang sa mga nagtatrabaho sa mga bagong pamamaraan ng fusion; maraming bagong oportunidad ang magagamit. Ang pag-aaral na ito ay makakatulong sa pagpapabuti ng kasalukuyang alok at pagpapahusay ng mga produkto sa hinaharap. Dahil dito, ang mga kumpanyang ito ay may mahalagang posisyon sa kanilang merkado at itinuturing na positibong hawak para sa mga mangangalakal.

1. Exelon Corporation

EXC Tsart ng Presyo

Ang Exelon Corporation (EXC ) ay pumasok sa merkado noong 2020 matapos ang pagsasanib ng dalawang kilalang kumpanya ng enerhiya, ang PECO at Unicom. Ang kumpanya ay isa sa pinakamalaking tagapagtustos ng enerhiya sa Hilagang Amerika at may punong tanggapan sa Chicago, IL. Ito ay isang Fortune 500 na kumpanya at kinikilala bilang isa sa pinakamalaki at pinaka-matagumpay na tagapagbigay sa merkado. Mayroon din itong malakas na pokus sa komunidad, na may higit sa 20,000 empleyado na nakatuon sa pag-unlad ng workforce at pagpapalaganap ng outreach sa komunidad.
Ang Exelon ay isang matalinong stock na idagdag sa iyong portfolio. Ang kumpanya ay may anim na regulated utilities at kontrolado ang higit sa $101 bilyong assets. Bukod pa rito, may 21 nuclear reactors ito na aktibo sa 12 power plants sa US. Ang lahat ng mga salik na ito ay naglalagay sa Exelon bilang isang pioneer sa merkado at isang matalinong karagdagan sa iyong portfolio.

2. Lockheed Martin

LMT Tsart ng Presyo

Ang Lockheed Martin (LMT ) ay opisyal na pumasok sa merkado matapos ang pagsasanib ng Lockheed at Martin Marietta noong 1950s. Ang kumpanya ay pioneer sa mga larangan ng aerodynamics, militar, drive, rotary, at space. Dahil dito, natatangi itong posisyon upang agad na magamit ang mga pagsisikap ng mga mananaliksik.

Ang Lockheed ay responsable sa ilan sa pinaka-iconic na eroplano na lumipad sa kalangitan. Mayroon din itong malaking bahagi sa industriya ng depensa ng US kung saan kilala ito sa high-tech na aeronautics. Ang mas malalim na pag-unawa sa WDM ay maaaring mapabuti ang kanilang alok sa maraming paraan. Una, maaaring magbukas ito ng pinto para sa mga bagong sistema ng propulsion. Gayundin, magbibigay-daan ito sa mga inhinyero na magmodelo ng mas epektibong eroplano gamit ang mga bagong proseso at modelo.

Kapansin-pansin, ang Lockheed Martin ay malaking bahagi ng US industrial complex. Sa kasalukuyan, ito ay nag-eempleyo ng higit sa 122,000 tao sa buong mundo at may higit sa 350 pasilidad. Ang mga salik na ito, kasama ang lumalaking demand para sa kanilang mga produkto matapos ang mga alalahanin sa quality control mula sa Boeing, ay nagpatunay na ang Lockheed Martin ay isang matalinong karagdagan sa iyong portfolio.

Hinaharap ng Pananaliksik at Aplikasyon ng WDM

Asahan mong agad magagamit ang datos na nakalap mula sa pag-aaral na ito sa maraming industriya. Ang mga modelong nilikha ay tutulong sa mga mananaliksik na higit pang paunlarin ang larangan ng X-ray pulse-shaping, na magpapabuti nang malaki sa kakayahan ng pagsubaybay at magbibigay ng sulyap sa dating hindi nakikita ng mga mananaliksik.

Metallic Heat Shields ng Spacecraft

Isang lokasyon kung saan karaniwan ang WDM ay kapag ang isang spacecraft ay muling pumapasok sa atmospera ng Earth. Sa tuwing nagre-reenter ang sasakyan sa atmospera, ang temperatura at radiation ay umaabot sa antas na lumilikha ng WDM. Ang pananaliksik na inilatag sa pag-aaral ay makakatulong sa mga inhinyero na lumikha ng mas epektibo at mas matibay na heat shields ng spacecraft na maaaring ligtas na magpalabas ng enerhiya ng WDM.

Kontroladong Nuclear Fusion (ICF – Inertial Confinement Fusion)

Matagal nang pinapangarap ng mga mananaliksik ang mababang-gastos na nuclear fusion. Ang pananaliksik na ito ay nagdadala ng mundo ng isang hakbang palapit sa pag-unawa at pagkamit ng layuning iyon. Nagbigay ang koponan ng malawak na ebidensya at mga bagong pamamaraan na nagbibigay-daan sa mga susunod na mananaliksik na subaybayan ang mga atomikong pagbabago nang tumpak upang lumikha ng mas epektibong mga modelo ng fusion. Dahil dito, maaaring magdala ang pananaliksik na ito balang araw ng malinis na enerhiya para sa lahat.

Kailangan pa ng Mas Maraming Pananaliksik

Ang pag-aaral ay nagpasiklab ng interes sa pag-harness ng mga kakayahan ng WDM. Sa kasalukuyan, ang substansya ay matatagpuan sa maliliit na bituin, planeta, dwarfs, particle beam interactions, ablation ng mga metal, at matinding laser interaction. Ang bagong metodong ito ay maaaring magbunyag pa ng higit pang mga lokasyon kung saan umiiral ang substansyang ito na bumubuo ng uniberso. Dahil dito, naghahanda ang mga mananaliksik para sa karagdagang pagsubok sa mga susunod na linggo habang sumasailalim ang kanilang mga natuklasan sa peer review.

Warm Dense Matter (WDM) – Marami Pang Dapat Matutunan

Kabiguan isipin na ngayon lamang napapansin ng mga mananaliksik kung paano gumagana ang WDM. Ang karaniwang estadong materyal na ito ay nasa puso ng pag-iral at habang mas maraming tao ang nakakaunawa rito, mas nagiging malinaw na maaari nitong buksan ang mga pinagmumulan ng enerhiya na lampas sa kasalukuyang ginagamit. Dahil dito, karapat-dapat ang mga mananaliksik na ito ng isang saludo para sa pagtulong na ilahad ang isa sa mga pinakalumang misteryo ng uniberso.

Alamin ang iba pang mga cool na proyekto sa kalawakan ngayon.