Miten aurinkoa kuumemmat materiaalit johtavat sähköä

Monet fysiikan ratkaisemattomat haasteet, planeettojen magneettikenttien syntymisen ymmärtämisestä palavan plasman onnistuneeseen ohjaamiseen inertiaalisen fuusioenergian tuottamiseen edellyttävät aineen kuljetusominaisuuksien tarkkaa ymmärtämistä korkean energiatiheyden olosuhteissa.

Vaikka lämmintä tiheää ainetta löytyy kaikkialta maailmankaikkeudesta, tutkijoilla ei ole paljonkaan hyviä teorioita näiden olosuhteinen materiaalien fysiikan kuvaamiseksi.

Materiaalin sähkönjohtavuuden mittaukset auttaisivat testaamaan ja tarkentamaan lämpimän tiheän aineen malleja. Klassiset koettimet vaatisivat kosketusta materiaaliin eikä se oikein toimi materiaaleissa, jotka voivat olla kuumia kuin auringon pinta. Näin ollen tiedot sähkönjohtavuudesta on toistaiseksi päätelty epäsuorasti.

Toisin sanoen, ilman suoria mittauksia, "maailmankaikkeudessa tapahtuu paljon sellaista, mitä me fyysikkoina pyrimme edelleen ymmärtämään", sanoi Ben Ofori-Okai, apulaisprofessori SLAC National Accelerator Laboratoryssa ja Stanfordin yliopistossa.

Nyt, yhdeksän vuoden työn jälkeen, Ofori-Okain johtama ryhmä on raportoinut Nature Communications -lehdessä uudesta kontaktittomasta menetelmästä lämpimän tiheän aineen sähkönjohtavuuden mittaamiseksi.

Käyttäen valoa luotaimena, he esittelivät menetelmäänsä alumiinilla sen siirtyessä kiinteästä lämpimään tiheään aineeseen.

Kokeissaan tutkijat lämmittivät ensin nopeasti alumiininäytteen laserilla 10 000 kelviniin (9727 °C) – lähes kaksinkertaiseen auringon pinnan lämpötilaan – luodakseen lämpimän tiheän aineen tilan. Sitten he osuivat näytteisiin terahertsitaajuisella valolla, sähkömagneettisella säteilyllä, jonka aallonpituus on alle millimetrin. Tämä säteily indusoi lämpimään tiheään ainenäytteeseen sähkökentän, joka voidaan mitata ilman kosketusta, ja näiden tietojen avulla tiimi pystyi sitten laskemaan alumiinin sähkönjohtavuuden.

Tutkimusryhmä havaitsi, että sähkönjohtavuus romahti kaksi kertaa näytteen lämmittämisen aikana.

Ensimmäinen pudotus, jonka he olivat odottaneet, tapahtui, kun alumiini siirtyi kiinteästä lämpimään tiheään ainetilaan. Toinen notkahdus tuli yllätyksenä. Mutta he selvittivät syyn SLAC:n erikoisinstrumenteilla, jotka paljastivat, kuinka alumiinin atomirakenne järjestyi uudelleen miljoonasosasekunnissa.

”Tämän ansiosta pystyimme sovittamaan toisen hypyn siihen, kun lämpimän tiheän aineen, alumiinin, rakenne muuttuu järjestäytyneestä epäjärjestyneeksi”, Glenzer sanoi. ”SLAC:n laitteiden kyky ratkaista ultranopeita prosesseja avaa oven näille löydöksille.”

Seuraavaksi tiimi soveltaa menetelmää useampiin materiaaleihin, mukaan lukien kupariin, ymmärtääkseen paremmin materiaalifysiikan perusteita, ja volframiin, jota käytetään ydinfuusiokapseleissa.

Aiheesta aiemmin:

Resistanssin kalibrointi mikrosirun memristorilla

Lämpötilakuvausta aineen sisältä