Когда газ получает большое количество энергии, его электроны отрываются от родительских атомов, в результате чего образуется плазма — часто забываемое четвёртое состояние вещества (наряду с твёрдым, жидким и газообразным). Обычно мы думаем о плазме как об очень горячих явлениях, таких как солнце, молния или дуговая сварка. Однако существуют ситуации, в которых с плазмой связаны ледяные холодные частицы.
Искривление магнитных доменов на наномасштабе с помощью мягкого рентгеновского излучения
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) смогли воссоздать подобную систему ледяной плазмы в лаборатории. Они создали плазму, в которой электроны и положительно заряженные ионы существуют между ультрахолодными электродами в среде преимущественно нейтрального газа, ввели водяной пар, а затем наблюдали, как спонтанно образуются крошечные ледяные гранулы.
Они изучили поведение гранул с помощью камеры с длиннофокусным микроскопом. Команда была удивлена, обнаружив, что в этих условиях образуются чрезвычайно «пушистые» гранулы, которые вырастают в фрактальные формы — ветвящиеся, неправильные структуры, которые являются самоподобными в различных масштабах.
Учёные описывают свою работу в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Ведущий автор статьи — аспирант Калифорнийского технологического института Андре Николов (MS ’22).
«Оказывается, пушистость гранул имеет важные последствия», — говорит Пол Беллана, профессор прикладной физики в Caltech. Одним из таких последствий является то, что неправильные гранулы, даже по мере их роста, содержат гораздо меньше массы, чем, скажем, твёрдые сферические гранулы.
Николов и Беллана наблюдали, что их пушистые ледяные гранулы быстро становились отрицательно заряженными, потому что электроны в плазме движутся намного быстрее, чем их положительно заряженные ионные аналоги. «Они настолько пушистые, что их отношение заряда к массе очень велико, поэтому электрические силы гораздо важнее гравитационных», — объясняет Беллана. В результате гравитация, которая доминирует в других экспериментах, заставляя твёрдые гранулы оседать на дно испытательных камер, больше не является основным движущим фактором движения.
Вместо этого пушистые ледяные гранулы рассеивались по всей плазме в камере и подвергались тому, что Николов описывает как «сложное движение, которое, кажется, бросает вызов гравитации». Гранулы льда подпрыгивали вверх и вниз, вращались и кружились в вихрях по всей плазме таким образом, что это было трудно предсказать. Это оставалось верным даже для ледяных гранул, которые выросли до относительно больших размеров, в сотни раз превышающих размеры ранее использовавшихся твёрдых пластиковых сфер.
Исследователи говорят, что пушистость увеличивается по мере роста гранул. Николов уточняет: «Микроскопическая пушистая структура гранул влияет на движение всего облака гранул и плазмы». Гранулы сильно ограничены в плазме электрическим полем, направленным внутрь, и, поскольку они все отрицательно заряжены, они отталкиваются друг от друга и стремятся равномерно распределиться и не сталкиваются. Их пушистость заставляет их взаимодействовать с окружающим нейтральным газом, как перо на ветру.
Беллана говорит, что такое поведение может помочь объяснить, как подобным образом заряженные пушистые гранулы взаимодействуют в астрофизических средах, таких как кольца Сатурна и молекулярные облака. Он добавляет, что, поскольку гранулы имеют большую площадь поверхности и высокое отношение заряда к массе, они могут действовать как посредники, способные передавать импульс от электрических полей нейтральному газу вокруг них.
«Вы можете создать ветер, в котором электрическое поле толкает пылевые гранулы, которые затем толкают нейтральный газ», — говорит он. Таким образом, крошечные пушистые гранулы могут быть даже ответственны за потоки газа и пыли по галактике.
Находки могут быть полезны в производстве полупроводников, где пыль, спонтанно образующаяся внутри промышленных плазм, может оседать на крошечных деталях электронных чипов и делать их бесполезными. Понимание фрактального роста и движения гранул в плазменных системах может улучшить стратегии их контроля или удаления. «Если вы хотите контролировать гранулы, вы должны учитывать эту фрактальную природу», — говорит Николов.
Новый инструмент для изучения динамики магнитных доменов на нанометровом масштабе
Учёные из Института Макса Борна разработали новый инструмент для мягкого рентгеновского излучения, который может раскрыть динамику магнитных доменов в нанометровом масштабе и на пикосекундных временных интервалах.
Исследователи из Института Макса Борна (MBI) разработали лабораторный инструмент для мягкого рентгеновского излучения, способный «видеть» эти скрытые структуры с нанометровым (10$^{-9}$ м) пространственным и пикосекундным (10$^{-12}$ с) временным разрешением.
Их работа, опубликованная в Light: Science & Applications, показывает, что ультрабыструю динамику магнитных доменов можно отслеживать в мельчайших деталях непосредственно в лаборатории.
Мягкие рентгеновские лучи сочетают исключительную чувствительность к магнитному порядку с элементной специфичностью и высоким пространственным разрешением. В геометрии малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) пространственные магнитные доменные паттерны переводятся в распределения интенсивности в обратном пространстве, предоставляя богатую информацию о дальнем и ближнем порядке сложных магнитных текстур.
До сих пор ультрабыстрое резонансное SAXS в мягком рентгеновском диапазоне было доступно только на XFEL. Новая установка MBI преодолевает это ограничение, сочетая лазерный источник плазмы рентгеновского излучения с детектором, чувствительным к одиночным фотонам.
Чтобы продемонстрировать свои возможности, команда изучила ферримагнитный многослойный материал Fe/Gd, содержащий наномасштабные магнитные лабиринтные домены. Настроив мягкое рентгеновское излучение на поглощающие края Fe и Gd около 700 и 1200 эВ соответственно, они нанесли на карту элементную динамику намагничивания и обнаружили ранее не наблюдавшуюся сложную реорганизацию доменного рисунка в масштабе от пикосекунд до наносекунд — вероятно, вызванную неоднородностью оптического возбуждения внутри образца.
«Этот инструмент позволяет нам наблюдать магнитный порядок с уровнем детализации, который ранее требовал лазера на свободных электронах», — говорит Леонид Лунин, один из первых авторов исследования. «Теперь мы можем делать это каждый день, прямо в лаборатории».
Благодаря своей гибкости и эффективности использования фотонов платформа позволяет проводить систематические исследования, включающие вариации магнитного поля, температуры, плотности возбуждения или энергии фотонов — измерения, которые в настоящее время сложны или невозможны на большинстве крупномасштабных установок.
В перспективе авторы ожидают дальнейшего увеличения потока фотонов и чувствительности с использованием лазерных технологий и детекторов следующего поколения. Такие усовершенствования могут сделать многомерные сканирования и передовые схемы возбуждения рутинными, открывая новые возможности для изучения эмерджентных фаз в широком спектре сложных материалов.