Mokslo ir technologijų pasaulis

Naujas tyrimas rodo, kaip lazeriu galima įkaitinti medžiagas iki aukštesnių temperatūrų, nei Saulės centre vos per 20 kvadrilijonųjų sekundės dalių.

Imperial College London fizikos teoretikai išvystė neįtikėtinai spartaus kaitinimo mechanizmą, kuriuo, jų manymu, kai kurias medžiagas bus galima įkaitinti iki dešimčių milijonų laipsnių daug sparčiau, nei per milijonąją milijonosios sekundės dalies.

Šis metodas, pasiūlytas pirmą kartą, galėtų tikti naujoms TBS energijos tyrimų kryptims, kai mokslininkai stengiasi atkartoti Saulės vykstantį švarų energijos išgavimo būdą.

Šis kaitinimas būtų maždaug 100 kartų spartesnis už dabar vykdomus TBS eksperimentus, naudojant galingiausias pasaulyje lazerių sistemas Lawrence Livermore nacionalinėje laboratorijoje Kalifornijoje. Dabar estafetę perėmė mokslininkai, įdiegsiantys metodą į praktiką.

Energijos nukreipimas

Galingus lazerius medžiagų kaitinimui, stengdamiesi sukurti išgauti TBS energiją, mokslininkai naudoja jau seniai. Naujajame tyrime ICL fizikai ieškojo būdų tiesiogiai kaitinti jonus – daleles, sudarančias didžiąją dalį materijos.

Lazeriais kaitinant daugumą medžiagų, lazerio energija pirmiausiai įkaitina bandinio elektronus. Šie savo ruožtu įkaitina jonus, o tai sulėtina procesą, lyginant su tiesioginiu jonų kaitinimu.

ICL komanda atrado, kad didelio intensyvumo lazeriu paveikus tam tikras medžiagas, susidaro elektrostatinė smūginė banga, galinti kaitinti jonus tiesiogiai. Jų atradimas publikuotas Nature Communications žurnale.

„Tai visiškai netikėtas rezultatas. Viena iš TBS tyrimo problemų – lazerio energiją nukreipti į tinkamą vietą tinkamu metu. Šis metodas energiją suteikia tiesiai jonams,“ sakė straipsnio vyr. autorius, Dr Arthur Turrell.

Greitoji trintis

Paprastai lazerio sukurtos elektostatinės smūgio bangos stumia jonus priešais save, dėl ko jie greitėja nuo smūgio bangos, tačiau nekaista. Tačiau, naudodama sudėtingą modeliavimą superkompiuteriu, komanda atrado, kad jeigu medžiagoje yra tam tikros jonų kombinacijos, jas smūgio banga spartins skirtingais greičiais.

Dėl to randasi trintis, savo ruožtu verčianti juos sparčiai kaisti. Tyrėjai išsiaiškino, kad stipriausias efektas būtų kietuosiuose kūnuose su dviem jonų tipais, pavyzdžiui, plastikuose.

„Du jonų tipai veikia kaip degtukai ir dėžutė; reikia abiejų,“ aiškina tyrimo bendraautorius Dr Mark Sherlock iš ICL fizikos skyriaus. „Vieni degtukai niekaip neužsidegs – reikia trinties, perbraukiant per degtukų dėžutės šoną.“

„Jau vien atradimas, kad svarbi ir pati bandinio medžiaga, pats savaime buvo siurprizas,“ pridūrė tyrimo bendraautorius profesorius Steven Rose. „Medžiagose tik su vienu jonų tipu, efektas išnyksta visiškai.“

Kaitinimas

Kaitinimas būna toks spartus iš dalies dėl to, kad bandinio medžiaga yra tokia tanki. Per bandinį sklindanti elektrostatinė smūginė banga suspaudžia jonus iki beveik dešimt kartų didesnio tankio, nei įprasta kieta medžiaga, dėlto trinties efektas būna daug stipresnis, nei retesnėse medžiagose, tarkime, dujose.

Jei ši technika pasiteisins eksperimentiškai, galėtų pademonstruoti sparčiausią ženklaus skaičiaus dalelių kaitimą, kuris kada nors užfiksuotas laboratorijoje.

„Tokiuose greitintuvuose, kaip LHC, susidūrus atomams, temperatūros kyla sparčiau, bet šie susidūrimai vyksta tarp atskirų dalelių,“ sakė Dr Turrell. „Tuo tarpu siūloma technika gal būti išnagrinėta daugelyje lazerių laboratorijų visame pasaulyje, ir įkaitina kietos fazinės būsenos tankio medžiagą.“

Ultra fast collisional ion heating by electrostatic shocks' by A. E. Turrell, M. Sherlock and S. J. Rose, is published in Nature Communications.

Hayley Dunning
www3.imperial.ac.uk