Ученые создали условия, подобные звездным, внутри тонкой проволоки! Как это возможно?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Понимание процессов, происходящих в глубинах космоса — задача, стоящая перед наукой на протяжении многих веков. Недра планет-гигантов, взрывы сверхновых, мощнейшие струи вещества, выбрасываемые черными дырами, — все эти явления связаны с экстремальными условиями, недоступными для прямого наблюдения. Давления и температуры, царящие в этих космических объектах, настолько велики, что воссоздать их в обычных лабораториях крайне сложно. Однако ученые, используя передовые технологии, нашли способ приблизиться к пониманию этих экзотических условий, воспроизводя их на Земле с помощью мощных лазеров.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

В недавнем исследовании, опубликованном в престижном научном журнале Nature Communications, международная группа ученых представила миру новый метод создания экстремальных состояний вещества. В его основе лежит воздействие мощного фемтосекундного лазера на тонкие металлические проволоки. Лазерный импульс, сфокусированный на поверхности проволоки, запускает каскад процессов, приводящих к возникновению сходящейся цилиндрической ударной волны. Эта волна, распространяясь к центру проволоки, сжимает вещество до давлений, сравнимых с теми, что существуют в недрах планет-гигантов, например, Юпитера.

Уникальность этого метода заключается в геометрии сжатия. В отличие от большинства экспериментов по ударному сжатию, где волна воздействует на вещество с одной стороны, в данном случае сжатие происходит радиально, со всех сторон одновременно. Такой подход позволяет достичь значительно более высоких значений давления и плотности вещества, открывая новые горизонты для исследования экстремальных состояний материи.

a Экспериментальная установка конфигурации PCI, используемая для получения изображения сжатой проволоки. Вся установка до последних 50 см перед детектором находится в условиях вакуума, что минимизирует рассеяние в воздухе. Система щелей (не показана) используется для ограничения рентгеновского освещения полем зрения в позиции образца до 250 × 250 мкм и минимизации бахромчатого рассеяния CRLs (диаметр 300 мкм). b Рентгеновские данные PCI, измеренные при задержках от 100 до 1000 пс после облучения проволоки из меди диаметром 25 мкм лазерным импульсом 3 Дж, 30 фс. Цветовая шкала показывает изменение пропускания по сравнению с распространением свободного пучка. c Увеличение выделенной красным области (b) для улучшения видимости сходящейся ударной волны.
a Экспериментальная установка конфигурации PCI, используемая для получения изображения сжатой проволоки. Вся установка до последних 50 см перед детектором находится в условиях вакуума, что минимизирует рассеяние в воздухе. Система щелей (не показана) используется для ограничения рентгеновского освещения полем зрения в позиции образца до 250 x 250 мкм и минимизации бахромчатого рассеяния CRLs (диаметр 300 мкм). b Рентгеновские данные PCI, измеренные при задержках от 100 до 1000 пс после облучения проволоки из меди диаметром 25 мкм лазерным импульсом 3 Дж, 30 фс. Цветовая шкала показывает изменение пропускания по сравнению с распространением свободного пучка. c Увеличение выделенной красным области (b) для улучшения видимости сходящейся ударной волны.
Автор: Laso Garcia, A., Yang, L., Bouffetier, V. et al. Cylindrical compression of thin wires by irradiation with a Joule-class short-pulse laser. Nat Commun15, 7896 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52232-6 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Для изучения динамики сжатия и поведения вещества под воздействием ударной волны ученые использовали уникальный инструмент — рентгеновский лазер на свободных электронах European XFEL. Этот лазер способен генерировать ультракороткие импульсы рентгеновского излучения, которые позволяют получать «снимки» сверхбыстрых процессов, таких как распространение ударных волн в веществе.

Благодаря этой «рентгеновской съемке» исследователи смогли детально проследить за динамикой ударной волны в медной проволоке. Они измерили скорость ее движения, а также оценили степень сжатия вещества в различные моменты времени. Полученные экспериментальные данные были тщательно сопоставлены с результатами компьютерного моделирования, проведенного с помощью специализированных программных кодов. Такой комплексный подход позволил не только подтвердить работоспособность предложенного метода, но и глубже понять физические механизмы, лежащие в основе генерации и распространения ударной волны.

a Смоделированные профили PCI с использованием данных гидродинамического моделирования для начальных температур 210 и 250 эВ. b Сравнение экспериментальных и смоделированных данных 300 пс, 500 пс и 700 пс для начальной температуры 210 эВ и 250 эВ. Совпадение с экспериментально наблюдаемым сближением при 700 пс происходит для случая 250 эВ.
a Смоделированные профили PCI с использованием данных гидродинамического моделирования для начальных температур 210 и 250 эВ. b Сравнение экспериментальных и смоделированных данных 300 пс, 500 пс и 700 пс для начальной температуры 210 эВ и 250 эВ. Совпадение с экспериментально наблюдаемым сближением при 700 пс происходит для случая 250 эВ.
Автор: Laso Garcia, A., Yang, L., Bouffetier, V. et al. Cylindrical compression of thin wires by irradiation with a Joule-class short-pulse laser. Nat Commun15, 7896 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52232-6 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Результаты этого исследования имеют огромное значение для фундаментальной науки. Они открывают новые возможности для изучения экстремальных состояний вещества, которые ранее были недоступны для прямых экспериментальных наблюдений. Ученые полагают, что данный метод может быть использован для изучения свойств веществ при давлениях и температурах, характерных для недр Юпитера, белых карликов и других астрофизических объектов. Это позволит получить ценную информацию о процессах, протекающих в глубинах космоса, и, возможно, приблизит нас к разгадке некоторых тайн Вселенной.

Еще одним преимуществом разработанного метода является высокая частота повторения лазерных импульсов, достигающая одного выстрела в минуту. Это позволяет проводить эксперименты с большой статистикой, что значительно повышает точность измерений и расширяет возможности исследования.

В будущем ученые планируют расширить область применения метода, изучая с его помощью поведение различных материалов, включая углерод и железо, которые играют ключевую роль в процессах формирования планет и звезд. Это позволит получить новые знания о физике экстремальных состояний вещества и внесет важный вклад в развитие астрофизики и планетологии.

1 комментарий

k
Так когда ждать новые аудиофильские провода из аудиофильски сжатой медной проволоки?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Студийный тракт в переносном корпусе: как «Весна-207» обошла японцев, но застряла в наводках

В IV квартале 1982 года Запорожский электромашиностроительный завод «Искра» начал промышленный выпуск портативного кассетного магнитофона «Весна-207-стерео». Корпус аппарата обладал габаритами...

Матрица реальна? ИИ случайно создал структуру пространства-времени в своей памяти

В современной физике пространство и время объединены в единую четырехмерную структуру — пространство-время. Ее геометрические свойства определяют, как движутся тела, как течет время в...

Почему Москву назвали Москвой и при чём здесь древнее письмо, найденное в Новгороде

Название Москвы настолько привычно, что о его происхождении редко задумываешься. Между тем этим вопросом занимались несколько поколений историков и лингвистов. Одни связывали его с болотами и сырой...

Почему на советских радиоприёмниках писали Лондон, Париж и Берлин

На старых советских радиоприёмниках можно заметить необычную деталь. За стеклом, рядом с цифрами и обозначениями диапазонов, расположены названия городов. Москва, Ленинград, Прага, Варшава, Берлин,...

Больше ёмкость, выше ток. Батарейка больше не нужна. Обзор аккумулятора «Крона» c USB-зарядкой

Зачем разоряться на батарейках, когда есть аккумулятор? Это справедливо и для старого доброго формата «Кроны», где встроенный литиевый аккумулятор позволил увеличить ёмкость и токоотдачу. А USB-C...

Почему в пустыне Атакама расцвели растения? Разбираем особенности природного явления

Пустыня Атакама считается одной из самых засушливых территорий планеты. Она состоит из скал, каменистых склонов и обширных пространств, где дождей не бывает годами. Однако в 2026 году пейзаж...