اندازهگیری نحوه هدایت الکتریکی موادی که داغتر از سطح خورشید هستند
توسط آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC
ماده گرم و چگال، حالت مادهای است که در دماها و فشارهای بسیار بالا شکل میگیرد، همانگونه که در هستهٔ اکثر ستارگان و بسیاری از سیارات، از جمله زمین، یافت میشود. این ماده همچنین در تولید میدان مغناطیسی زمین و در فرآیند همجوشی هستهای نقش دارد.
اگرچه ماده گرم و چگال در سراسر کیهان یافت میشود، پژوهشگران نظریههای کمی برای توصیف فیزیک مواد تحت این شرایط ندارند. اندازهگیری هدایت الکتریکی یک ماده میتواند به آزمون و بهبود مدلهای ماده گرم و چگال کمک کند. با این حال، ابزارهای سنتی برای چنین اندازهگیریهایی نیاز به تماس مستقیم با ماده دارند. این روش ممکن نیست چون مواد در حالت گرم و چگال بسیار گرم هستند، گاهی به اندازه یا حتی داغتر از سطح خورشید. بنابراین، تا به امروز اطلاعات دربارهٔ هدایت الکتریکی بهصورت غیرمستقیم استنتاج شدهاند.
به عبارت دیگر، بدون اندازهگیریهای مستقیم، «موارد بسیاری در کیهان رخ میدهد که ما به عنوان فیزیکدانان هنوز با دشواری درک آنها را تجربه میکنیم»، بن اوفوری‑اوکای، استادیار در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وابسته به وزارت انرژی و دانشگاه استنفورد و پژوهشگر در مؤسسه استنفورد PULSE گفت.
اکنون، پس از نه سال کار، تیمی به رهبری اوفوری‑اوکای روش جدیدی بدون تماس برای اندازهگیری مستقیم هدایت الکتریکی ماده گرم و چگال ارائه کرده است؛ این کار در مقالهای منتشر شده در ژورنال Nature Communications توصیف شده است. با استفاده از نور بهعنوان پروب، آنها روش خود را بر روی آلومینیوم، در هنگام تبدیل آن از حالت جامد به ماده گرم و چگال، نشان دادند.
«این دقیقترین تکنیک برای اندازهگیری هدایت الکتریکی در ماده گرم و چگال تا به امروز است»، گفت نویسندهٔ مطالعه، زیگفرید گلنزر، مدیر بخش علوم چگالی انرژی بالا (HEDS) و استاد علوم فوتون در SLAC. «فکر میکنم این روشی تازه و مهم برای ارزیابی مطالعات نظری خواهد بود.»
کاهش غیرمنتظرهٔ هدایت الکتریکی
در آزمایشهای خود در SLAC، پژوهشگران ابتدا نمونهٔ آلومینیومی را با یک لیزر به سرعت به ۱۰٬۰۰۰ کلوین (۱۷٬۵۴۰ °F) گرم کردند — تقریباً دو برابر دمای سطح خورشید — تا حالت ماده گرم و چگال را به دست آورند. سپس نمونهها را با نور فرکانس تراهرتز (پالس نور تراهرتزی)، تابش الکترومغناطیسی با طول موج زیر میلیمتری، تحریک کردند. این تابش میدان الکتریکی در نمونهٔ ماده گرم و چگال ایجاد کرد که میتوانست بدون تماس اندازهگیری شود؛ با این اطلاعات تیم توانست هدایت الکتریکی آلومینیوم را محاسبه کند.
تیم دریافت که هدایت الکتریکی دو بار بهصورت ناگهانی کاهش یافت هنگامیکه نمونه را گرم کردند. اولین کاهش که پیشبینی شده بود، در زمانی رخ داد که آلومینیوم از حالت جامد به حالت ماده گرم و چگال تبدیل شد.
کاهش دوم یک سورپرایز بود. برای فهمیدن علت آن، تیم از دستگاه پراش الکترونی فوقالعاده سریع مگاهشتمی (MeV‑UED) در منبع نور همگرا لیناک (LCLS) در SLAC استفاده کرد. عبور پرتو الکترونهای پرانرژی این دستگاه از نمونه در حین تبدیل به ماده گرم و چگال، نشان داد که ساختار اتمی آلومینیوم در یک پیکوثانیه چطور بازآرایی میشود.
«این به ما امکان داد تا سقوط دوم را به لحظهای مرتبط کنیم که ساختار ماده گرم و چگال آلومینیوم از حالت منظم به بینظم تغییر مییابد»، گلنزر گفت. «توانایی تجهیزات SLAC برای حلوفصل فرایندهای فوقالعاده سریع، مسیر این کشفیات را باز میکند.»
در مرحلهٔ بعد، تیم این روش را بر روی مواد بیشتری اعمال خواهد کرد، از جمله مس برای درک بهتر فیزیک بنیادی مواد و تنگستن، یک افزودنی فلزی مورد استفاده در کپسولهای همجوشی هستهای.
«من مشتاق انجام این اندازهگیریها بر روی مواد پیچیدهتر، همچنین موادی که مرتبط با هستهٔ زمین هستند، مانند آهن، هستم»، گفت اوفوری‑اوکای که در آغاز این کار، پژوهشگر پسادکترای بخش HEDS بود.
اطلاعات بیشتر: بنجامین ک. اوفوری‑اوکای و همکاران، کشف اثرات ساختاری بر هدایت مستقیم (DC) ماده گرم و چگال از طریق طیفسنجی تراهرتز و پراش الکترونی فوقالعاده سریع، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65559-5
اطلاعات نشریه: Nature Communications
ارائهشده توسط آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC