Исследователи, впервые напрямую измерив температуру атомов в чрезвычайно горячих материалах, случайно опровергли теорию, существовавшую несколько десятилетий, и изменили наше понимание перегрева.
Сложности измерения температуры
Измерить температуру действительно горячих объектов — непростая задача. Будь то кипящая плазма на Солнце, экстремальные условия в центре планет или разрушительные силы внутри термоядерного реактора, то, что учёные называют «тёплой плотной материей», может достигать сотен тысяч градусов по Кельвину.
До сих пор эти измерения были практически невозможны. «У нас есть хорошие методы измерения плотности и давления этих систем, но не температуры», — сказал Боб Наглер, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «В этих исследованиях температуры всегда являются приблизительными значениями с огромными погрешностями, что действительно сдерживает наши теоретические модели. Это проблема, которая существует уже несколько десятилетий».
Новый метод измерения температуры
Теперь группа исследователей впервые сообщает в журнале Nature, что они напрямую измерили температуру атомов в тёплой плотной материи. В то время как другие методы основаны на сложных и трудно поддающихся проверке моделях, этот новый метод напрямую измеряет скорость атомов и, следовательно, температуру системы.
Наглер и исследователи из SLAC’s Matter in Extreme Conditions (MEC) совместно возглавляют это исследование с Томом Уайтом, доцентом физики в Университете Невады в Рино. Группа включает исследователей из Королевского университета в Белфасте, Европейского XFEL (лазер на свободных электронах), Колумбийского университета, Принстонского университета, Оксфордского университета, Калифорнийского университета в Мерседе и Уорикского университета в Ковентри.
Результаты исследования
Команда использовала лазер для перегрева образца золота. Когда тепло вспыхнуло через образец толщиной в нанометр, его атомы начали вибрировать со скоростью, прямо связанной с их повышением температуры. Затем команда отправила импульс сверхъяркого рентгеновского излучения из источника когерентного света (LCLS) через перегретый образец. Когда рентгеновские лучи рассеивались на вибрирующих атомах, их частота слегка менялась, показывая скорость атомов и, таким образом, их температуру.
«Метод измерения температуры, разработанный в этом исследовании, демонстрирует, что LCLS находится на переднем крае исследований по нагреву лазером», — сказал Зигфрид Глензер, директор подразделения науки о высоких энергиях в SLAC и соавтор статьи. «LCLS в сочетании с этими инновационными методами играет важную роль в развитии науки о высоких энергиях и преобразующих приложениях, таких как инерциальный термоядерный синтез».
Команда была в восторге от успешной демонстрации этого метода, но, углубившись в данные, они обнаружили нечто ещё более захватывающее. «Мы были удивлены, обнаружив гораздо более высокую температуру в этих перегретых твёрдых телах, чем мы изначально ожидали, что опровергает давнюю теорию 1980-х годов», — сказал Уайт.
«Антиматериальный квантовый бит» открывает новые горизонты
В прорывном исследовании в области антивещества коллаборация BASE в ЦЕРНе удерживала антипротон — антивещественный аналог протона — колеблющимся между двумя различными квантовыми состояниями в течение почти минуты.
Это достижение, о котором сообщается в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, знаменует собой первую демонстрацию антивещественного квантового бита, или кубита, и прокладывает путь для существенно улучшенных сравнений между поведением материи и антиматерии.
Частицы, такие как антипротон, имеют ту же массу, но противоположный электрический заряд по сравнению с протоном. Они ведут себя как миниатюрные стержневые магниты, которые могут «указывать» в одном из двух направлений в зависимости от их основного квантово-механического спина.
Измерение того, как эти так называемые магнитные моменты переворачиваются с помощью техники, называемой когерентной квантовой переходной спектроскопией, является мощным инструментом в квантовом зондировании и обработке информации. Это также позволяет проводить высокоточные тесты фундаментальных законов природы, включая симметрию зарядового, чётного и временного пространства. Эта симметрия утверждает, что материя и антиматерия ведут себя одинаково, что противоречит наблюдению, что материя значительно преобладает над антиматерией во Вселенной.
«Антиматериальный квантовый бит» и его значение
Хотя когерентные квантовые переходы наблюдались ранее в больших коллективах частиц и в захваченных ионах, они никогда не наблюдались для одного свободного ядерного магнитного момента — несмотря на то, что последний занимает видное место в физических учебниках. Коллаборация BASE теперь достигла этого в фабрике антивещества ЦЕРН.
Используя сложную систему электромагнитных ловушек, чтобы дать антипротону нужный «толчок» в нужное время, коллаборация BASE достигла того, что антипротон колеблется между своими спиновыми состояниями «вверх» и «вниз» в плавном, контролируемом ритме.
Это достижение можно сравнить с раскачиванием ребёнка на качелях. С правильным толчком качели раскачиваются в идеальном ритме. Теперь представьте, что качели — это единственный захваченный антипротон, колеблющийся между своими спиновыми состояниями.
Коллаборация BASE использовала сложную систему электромагнитных ловушек, чтобы дать антипротону нужный «толчок» в нужное время. И поскольку у этих качелей есть квантовые свойства, антивещественный спин-кубит может даже указывать в разных направлениях одновременно, когда за ним не наблюдают.
Эксперимент BASE изучает антипротоны, производимые на фабрике антивещества ЦЕРН, храня их в электромагнитных ловушках Пеннинга и подавая их по одному в систему из нескольких ловушек, чтобы, среди прочего, измерять и изменять их спиновые состояния.
Используя эту установку, коллаборация BASE ранее смогла показать, что величины магнитных моментов протона и антипротона идентичны в пределах нескольких миллиардных долей. Любое незначительное различие в их величинах нарушило бы симметрию зарядового, чётного и временного пространства и указало бы на новую физику за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц.
Однако этот предыдущий результат был основан на некогерентной спектроскопии, когда квантовые переходы нарушались флуктуациями магнитного поля и интерференцией при измерениях. В значительной модернизации эксперимента эти механизмы декогеренции были подавлены и устранены, что привело к первой когерентной спектроскопии спина антипротона.
«Это представляет собой первый антивещественный кубит и открывает перспективу применения всего набора методов когерентной спектроскопии к одиночным системам материи и антиматерии в прецизионных экспериментах», — объясняет представитель BASE Стефан Ульмер. «Самое главное, это поможет BASE провести измерения моментов антипротонов в будущих экспериментах с точностью, улучшенной в 10–100 раз».
report in the journal Nature that they have directly measured the temperature of atoms in warm dense matter.”,”While other methods rely on complex and hard-to-validate models, this new method directly measures the speed of atoms, and therefore the temperature of the system. Already, their innovative method is changing our understanding of the world: In an experimental debut, the team superheated solid gold far beyond the theoretical limit, unexpectedly overturning four decades of established theory.”,”Nagler and researchers at SLAC’s Matter in Extreme Conditions (MEC) instrument co-led this study with Tom White, associate professor of physics at University of Nevada, Reno. The group includes researchers from Queen’s University Belfast, the European XFEL (X-ray Free-Electron Laser), Columbia University, Princeton University, University of Oxford, University of California, Merced, and the University of Warwick, Coventry.”,”For nearly a decade, this team has worked to develop a method that circumvents the usual challenges of measuring extreme temperatures—specifically, the brief duration of the conditions that create those temperatures in the lab and the difficulty of calibrating how these complex systems affect other materials.”,”\”Finally, we’ve directly and unambiguously taken a direct measurement, demonstrating a method that can be applied throughout the field,\” White said.”,”Under extreme conditions—like those in the hearts of planets or in exploding stars—materials can enter other exotic phases with unique characteristics. At SLAC, researchers are studying some of the most extreme and exotic forms of matter ever created, in detail never before possible.”,”At SLAC’s MEC instrument, the team used a laser to superheat a sample of gold. As heat flashed through the nanometer-thin sample, its atoms began to vibrate at a speed directly related to their rising temperature. The team then sent a pulse of ultrabright X-rays from the Linac Coherent Light Source (LCLS) through the superheated sample. As they scattered off the vibrating atoms, the X-rays’ frequency shifted slightly, revealing the atoms’ speed and thus their temperature.”,”\”The novel temperature measurement technique developed in this study demonstrates that LCLS is at the frontier of laser-heated matter research,\” said Siegfried Glenzer, director of the High Energy Density Science division at SLAC and co-author on the paper. \”LCLS, paired with these innovative techniques, play an important role in advancing high energy density science and transformative applications like inertial fusion.\””,”The team was thrilled to have successfully demonstrated this technique—and as they took a deeper look at the data, they discovered something even more exciting.”,”\”We were surprised to find a much higher temperature in these superheated solids than we initially expected, which disproves a long-standing theory from the 1980s,\” White said. \”This wasn’t our original goal, but that’s what science is about—discovering new things you didn’t know existed.\””,”Every material has specific melting and boiling points, marking the transition from solid to liquid and liquid to gas, respectively. However, there are exceptions. For instance, when water is heated rapidly in very smooth containers—such as a glass of water in a microwave—it can become \”superheated,\” reaching temperatures above 212 degrees Fahrenheit (100 degrees Celsius) without actually boiling. This occurs because there are no rough surfaces or impurities to trigger bubble formation.”,”But this trick of nature comes with an increased risk: The further a system strays from its normal melting and boiling points, the more vulnerable it is to what scientists call a catastrophe—a sudden onset of melting or boiling triggered by slight environmental change. For example, water that has been superheated in a microwave will boil explosively when disturbed, potentially causing serious burns.”,”While some experiments have shown it is possible to bypass these intermediary limits by rapidly heating materials, \”the entropy catastrophe was still viewed as the ultimate boundary,\” White explained.”,”In their recent study, the team discovered that the gold had been superheated to an astonishing 19,000 kelvins (33,740 degrees Fahrenheit)—more than 14 times its melting point and well beyond the proposed entropy catastrophe limit—all while maintaining its solid crystalline structure.”,”\”It’s important to clarify that we did not violate the Second Law of Thermodynamics,\” White said with a chuckle. \”What we demonstrated is that these catastrophes can be avoided if materials are heated extremely quickly—in our case, within trillionths of a second.\””,”The researchers believe that the rapid heating prevented the gold from expanding, enabling it to retain its solid state. The findings suggest that there may not be an upper limit for superheated materials, if heated quickly enough.”,”SLAC enables research on materials for fusion power plants and fusion fuel targets, as well as atomic-level observations of fusion reactions.”,”Nagler noted that researchers who study warm dense matter have likely been surpassing the entropy catastrophe limit for years without realizing it, due to the absence of a reliable method for directly measuring temperature.”,”\”If our first experiment using this technique led to a major challenge to established science, I can’t wait to see what other discoveries lie ahead,\” Nagler said.”,”As just one example, White and Nagler’s teams used this method again this summer to study the temperature of materials that have been shock-compressed to replicate the conditions deep inside planets.”,”Nagler is also eager to apply the new technique—which can pinpoint atom temperatures from 1,000 to 500,000 kelvins—to ongoing inertial fusion energy research at SLAC.”,”\”When a fusion fuel target implodes in a fusion reactor, the targets are in a warm dense state,\” Nagler explained. \”To design useful targets, we need to know at what temperatures they will undergo important state changes. Now, we finally have a way to make those measurements.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tSLAC National Accelerator Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник