Röntgenlaser onthult nieuw inzicht in warme, dichte materie

Een nieuwe studie waarin het gebruik van röntgenlasers voor het bestuderen van warme dichte materie (WDM) wordt beschreven, heeft velen in de sector enthousiast gemaakt. De onderzoekers gebruikten de Europese XFEL om een ​​reeks experimenten uit te voeren rond de mysterieuze toestand van de materie. Dit is wat ze ontdekten.

Warme dichte materie (WDM) toestand

De term 'warme, dichte materie' beschrijft een specifieke reeks materie die niet direct in de huidige natuurkundige categorieën valt. Warme, dichte materie wordt door velen gezien als een cruciale bouwsteen in het universum en een begrip hiervan zou een dieper inzicht in de geschiedenis van het bestaan ​​mogelijk maken. Opvallend is dat het bestaan ​​van deze materiële staat pas twintig jaar geleden werd erkend.

Warme, dichte materie is overvloedig aanwezig in het universum. Deze unieke toestand is te vinden op gasvormige planeten zoals Jupiter en zelfs in het centrum van bruine dwergsterren. Het unieke aan WDM is dat het een toestand is tussen plasma en een gecondenseerd stadium. Als zodanig is het uiterst moeilijk om het opnieuw te creëren en speelt het een cruciale rol in de astrofysica, planetaire wetenschap en kernsplijting.

Het aanvankelijke begrip van WDM was breed. Het groepeerde meerdere verschijnselen met temperaturen tussen enkele duizenden graden en een hoge dichtheid. De afgelopen vijf jaar is de definitie uitgebreid tot hemellichamen met een dichtheid tussen 5 en 0.01 g/cm³ en een temperatuur van meer dan enkele duizenden Kelvin (100-1 eV).

Huidige methoden voor het monitoren en creëren van WDM

In het verleden is optische apparatuur gebruikt om de toestand van warme, dichte materie waar te nemen. Deze aanpak werd echter beperkt door de mogelijkheden van de apparatuur. Concreet kon het apparaat de energieniveaus op piekmomenten niet registreren en nauwkeurig monitoren.

Een andere methode die momenteel wordt gebruikt, is röntgenemissiespectroscopie. Deze aanpak werd 12 jaar geleden uitgevonden als een elektronenvrij alternatief. In deze studie gebruiken onderzoekers röntgenvrije-elektronenlasers (XFEL's) om röntgenpulsen met hoge intensiteit te genereren die een enkele femtoseconde duren. Met name een femtoseconde-laser zendt pulsen uit die een miljoenste van een miljardste van een seconde bestrijken.

De introductie van betrouwbare XFEL-lasers stelde onderzoekers in staat hun onderzoek naar de WDM-status voort te zetten. In het bijzonder onderzochten ze de voorbijgaande verandering en optische eigenschappen van materie die werd blootgesteld aan laserröntgenstraling. Deze onderzoeken hebben de deur geopend voor nieuwe typen röntgenvrije elektronenlasers. Voor deze studie maakten onderzoekers gebruik van de mogelijkheid om veranderingen in atomaire lengteschalen te meten om de omzetting van vaste materie in de WDM-toestand nauwkeurig te documenteren met behulp van de Europese XFEL in Hamburg.

Europese XFEL-laser

De Europese XFEL-laser is een van de slechts een tiental XFEL's die wereldwijd in gebruik zijn. Dit geavanceerde apparaat is gebouwd in samenwerking met het DESY-onderzoekscentrum. Het beschikt over een testgebied van 2.1 kilometer lang waar onderzoekers de elektronische en ionische structuur van materie kunnen volgen terwijl deze wordt omgezet.

Onderzoek naar warme dichte materie

Tot op heden zijn er niet veel onderzoeken gedaan naar hoe de bestraling van deze nieuwe systemen de toestand van de materie op een registreerbare en traceerbare manier kan veranderen. Als zodanig probeerden de onderzoekers dat te doen detail hoe het gebruik van ultrasnelle röntgenvrije-elektronenlaserpulsen koper in warme, dichte materie kan omzetten. Concreet beschrijft het team het gebruik van L-edge röntgenabsorptiespectroscopie over een groot bereik van bestralingsintensiteit om toestanden om te zetten.

Warme dichte materie-test

De laserpulsen werden ingesteld om verlichte kopermonsters gedurende 15 femtoseconden te pulseren. De onderzoekers herhaalden dit proces met verschillende intensiteiten om het effect te zien en hoe elke aanpassing de conversieratio beïnvloedde. Ze merkten dat de röntgenlaserpuls een sterke ionisatie veroorzaakte.

Deze ionisatie zorgde ervoor dat elektronen de materie uitbreidden naarmate de temperatuur steeg. Binnen enkele seconden werd de materie omgezet in geïoniseerd WDM. Vanaf daar werd het transparant voor röntgenstralen. Deze overgang van verzadigbare absorptie (SA) naar omgekeerde verzadigbare absorptie (RSA) wekte de interesse van onderzoekers.

Experimentele gegevens combineren met simulaties

Het testproces werd uitgevoerd met behulp van het Spectroscopie en Coherent Scattering (SCS) instrument van de Europese XFEL (EuXFEL). Deze locatie bood onderzoekers de perfecte plek om experimenten uit te voeren en de resultaten nauwgezet vast te leggen. Ze onderzochten precies hoeveel straling er door de materie ging, evenals de ionisatieveranderingen ervan.

Bron – Natuur

Met name vereisten de experimenten dat de XFEL-pulsenergie werd gefocusseerd via Kirkpatrick-Báez-spiegels. Deze aanpak stelde het team in staat de straalgrootte in te stellen op 4 μm over de volledige breedte op halfmaximum (FWHM). Met twee röntgengasmonitors werd een pulsenergie van 2 mJ gemeten. Deze apparaten bevonden zich 2.3 m stroomafwaarts van het interactiepunt.

Het apparaat passeerde de laser door een ingangsspleet van 40 μm en een rooster met 1,200 lijnen per mm. Er werd ook een miniatuur CCD-camera geïntroduceerd om het door röntgenstraling opgewekte koper verder te bewaken. Van daaruit paste het team kinetische Boltzmann-vergelijkingen toe met eindige-temperatuuruitbreidingen van de DFT-eindige-temperatuur-real-space-dichtheid-functionele theorie om hun uiteindelijke gegevens te realiseren. Vervolgens werd een 15 fs lange XFEL-puls gebruikt over de koperen testranden, waarbij metingen aantoonden dat de intensiteit kon worden verdubbeld.

BOLTZMANN SOLVER-software

De kinetische vergelijkingsoplosser van Boltzmann is een op maat gemaakt simulatiesoftwarepakket dat de modellering van röntgenpulsbestraling op bulkmateriaal mogelijk maakt. Het programma is in 2004 ontwikkeld door prof. Ziaja-Motyka en heeft tot nu toe een belangrijke rol gespeeld in het WDM-onderzoek. Dankzij de simulaties konden ingenieurs veranderingen in het energieniveau van WDM simuleren tegen alternatieve laserintensiteiten. Deze software bood waardevol inzicht en bespaarde tijd, geld en middelen.

XANES

Röntgenabsorptie near-edge structuurspectroscopie (XANES) werd ook in het testproces geïntegreerd. Deze eenheid bewaakte tijdens de experimenten de valentie-elektronentoestand en de atomaire structuur. Het was bij uitstek geschikt voor deze taak vanwege de volledige spectrale bandbreedte, waardoor het team de overgangsfasen van het materiaal beter kon begrijpen.

Resultaten

De testresultaten onthulden enkele belangrijke details over het proces. Ten eerste heeft de röntgenintensiteit een directe correlatie met ionisatie. Dit proces veroorzaakt drastische veranderingen in de energieniveaus die worden veroorzaakt door botsingen van atomen in de aangeslagen 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 1015 W cm−2 een absorptiepiek kan worden verkregen. Ze verhoogden geleidelijk de laserintensiteit totdat uit de testapparatuur bleek dat de materie ondoorzichtig werd. Toen de intensiteit verder werd verhoogd, werd de materie transparant voor de laserpuls. Als zodanig laat het onderzoek zien dat röntgenstraling bij een bepaald hoog energieniveau niet door WDM kan worden geabsorbeerd.

Voordelen:

Er zijn verschillende voordelen die dit onderzoek op de markt brengt. Het nieuwe systeem biedt een dieper inzicht in WDM, hoe het ontstaat en de mogelijkheden ervan onder bepaalde energieniveaus. De door onderzoekers verstrekte gegevens helpen astrofysici en kerningenieurs beter te begrijpen hoe deze toestand van de materie de wereld ten goede kan komen.

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 het vermogen zouden kunnen hebben om energie op te wekken met behulp van nieuwe fusiemethoden.

onderzoekers

Het onderzoek werd georganiseerd door het Instituut voor Kernfysica 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 Europese XFEL deel aan de studie die gedeeltelijk werd gefinancierd door het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen.

Bedrijven die van dit onderzoek zouden kunnen profiteren

Verschillende bedrijven zijn in de positie om van dit onderzoek te profiteren, variërend van luchtvaartbedrijven tot bedrijven die aan nieuwe fusiemethoden werken; er zijn nieuwe mogelijkheden beschikbaar. Deze studie kan helpen het huidige aanbod te verbeteren en producten in de toekomst te verbeteren. Als zodanig bekleden deze bedrijven vitale posities op hun markt en worden ze gezien als positieve houvast voor handelaren.

1. Exelon Corporation

Exelon Corporation (EXC -0.14%)

De Exelon Corporation kwam in 2020 op de markt na de fusie van twee spraakmakende energiebedrijven, PECO en Unicom. Het bedrijf is een van de grootste energieleveranciers in Noord-Amerika en heeft het hoofdkantoor in Chicago, Illinois. 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 werknemers die zich toeleggen op de ontwikkeling van het personeelsbestand en het stimuleren van gemeenschapsbereik.

Exelon is een slim aandeel om toe te voegen aan uw portefeuille. Het bedrijf heeft zes gereguleerde nutsbedrijven en beheert meer dan $101 miljard aan activa. Bovendien heeft het 21 kernreactoren actief in 12 energiecentrales in de VS. Al deze factoren positioneren Exelon als marktpionier en een verstandige aanvulling op uw portfolio.

2. Lockheed Martin

Lockheed Martin Corporation (LMT + 1.3%)

Lockheed Martin kwam officieel op de markt na de fusie van Lockheed en Martin Marietta in de jaren vijftig. Het bedrijf is een pionier op het gebied van aerodynamica, leger, aandrijving, rotatie en ruimtevaart. Als zodanig bevindt het zich in een unieke positie om de inspanningen van de onderzoekers onmiddellijk te benutten.

Lockheed is verantwoordelijk voor enkele van de meest iconische vliegtuigen die de lucht in gaan. Ze hebben ook een groot belang in de Amerikaanse defensie-industrie, waar deze bekend staat om zijn hightech luchtvaart. Een beter begrip van WDM zou hun aanbod op tal van manieren kunnen verbeteren. Ten eerste zou het de deur kunnen openen voor nieuwe voortstuwingssystemen. Het zou ingenieurs ook in staat stellen effectievere vliegtuigen te modelleren met behulp van nieuwe processen en modellen.

Opvallend is dat Lockheed Martin een groot deel uitmaakt van het Amerikaanse industriële complex. Er werken momenteel +122 mensen wereldwijd en er zijn +350 faciliteiten. Deze factoren, plus een groeiende vraag naar zijn producten als gevolg van zorgen over de kwaliteitscontrole van Boeing, hebben van LockeheadMartin een verstandige toevoeging aan uw portfolio gemaakt.

Toekomst van WDM-onderzoek en -toepassingen

U kunt verwachten dat de gegevens die uit dit onderzoek zijn verzameld, onmiddellijk in meerdere sectoren goed zullen worden gebruikt. De gecreëerde modellen zullen onderzoekers helpen het gebied van röntgenpulsvorming verder te ontwikkelen, wat de monitoringmogelijkheden drastisch zal verbeteren en een kijkje zal geven in wat ooit onzichtbaar was voor onderzoekers.

Metalen hitteschilden van ruimtevaartuigen

Eén locatie waar WDM gebruikelijk is, is wanneer een ruimtevaartuig de atmosfeer van de aarde binnenkomt. Telkens wanneer een ruimtevaartuig opnieuw de atmosfeer van de aarde binnengaat, bereiken de temperatuur en de straling een niveau dat WDM creëert. Het onderzoek dat in het onderzoek naar voren wordt gebracht, zal ingenieurs helpen efficiëntere en sterkere hitteschilden voor ruimtevaartuigen te creëren die de massavernietigingswapens-energie veilig kunnen verspreiden.

Gecontroleerde kernfusie (ICF – Inertiële opsluitingsfusie)

Onderzoekers dromen al lang van goedkope kernfusie. Dit onderzoek brengt de wereld een stap dichter bij het begrijpen en bereiken van dat doel. Het team heeft substantieel bewijs en nieuwe methoden naar voren gebracht waarmee toekomstige onderzoekers atomaire veranderingen nauwkeurig kunnen volgen om effectievere fusiemodellen te creëren. Als zodanig zou dit onderzoek op een dag kunnen leiden tot schone energie voor iedereen.

Er is meer onderzoek nodig

Het onderzoek heeft belangstelling gewekt voor het benutten van de mogelijkheden van WDM. Momenteel kan de stof worden aangetroffen in kleine sterren, planeten, dwergen, deeltjesbundelinteracties, ablatie van metalen en intense laserinteractie. Deze nieuwe methode kan zelfs nog meer locaties onthullen waar deze universumbouwende substantie voorkomt. Als zodanig bereiden onderzoekers zich voor op meer tests in de komende weken, terwijl hun bevindingen peer review ondergaan.

Warme dichte materie (WDM) – er valt nog veel te leren

Het is gek om te denken dat onderzoekers zich nu pas bewust worden van hoe WDM werkt. Deze gemeenschappelijke materiële toestand vormt de kern van het bestaan ​​en hoe meer mensen ervan begrijpen, hoe duidelijker het wordt dat het energiebronnen kan ontsluiten die ordes van grootte groter zijn dan wat momenteel in gebruik is. Als zodanig verdienen deze onderzoekers een eerbetoon omdat ze hebben geholpen licht te werpen op een van de oudste mysteries van het universum.

Leer meer over andere coole ruimtes bouwprojecten nu.