روش بدون تماس الکتریسیته را در مادهای که گرمتر از خورشید است ردیابی میکند تا همجوشی هستهای را کشف کند
آزمایش بدون تماس نشان میدهد که چگونه ماده در دماهای ستارهای بهسرعت هدایت الکتریکی خود را از دست میدهد، زیرا ساختار اتمیاش فرو میریزد.
در عمق ستارگان، سیارههای عظیم و حتی هستهٔ زمین، مادهای در حالت میانی عجیب وجود دارد — نه جامد و نه بهطور کامل پلاسما. این حالت که به «ماده گرم متراکم» معروف است، نقش مهمی در شکلگیری میدانهای مغناطیسی سیارات و پیشرفت همجوشی هستهای ایفا میکند.
بهرغم شایع بودن آن در سراسر جهان، ماده گرم متراکم همچنان بهعنوان یک معما باقی مانده است؛ زیرا گرمتر از سطح خورشید است و با ابزارهای سنتی نمیتوان آن را لمس کرد.
اکنون، پس از تقریباً یک دهه کار، گروهی از پژوهشگران سرانجام راهی برای اندازهگیری مستقیم یکی از مهمترین ویژگیهای آن، هدایت الکتریکی، بدون لمس آن پیدا کردند. این دستاورد راهی نوین برای بررسی محیطهایی که پیشتر از دسترس آزمایشها خارج بود، ارائه میدهد.
چگونه نور مشکلی را حل کرد که بهدلیل حرارت، غیرممکن بود
تا کنون، دانشمندان تنها میتوانستند حدودی از توانایی ماده گرم متراکم در هدایت الکتریسیته بسازند. روشهای سنتی مستلزم این هستند که سیمها یا پروبها فیزیکی به ماده وصل شوند، اما وقتی دما به چند هزار درجه میرسد، این روش بلافاصله ناکام میشود.
در نتیجه، بسیاری از آنچه فیزیکدانان دربارهٔ ماده گرم متراکم باور داشتند، بر سرنخهای غیرمستقیم و مدلهای نظری که آزمونشان دشوار بود، پایهگذاری میشد. نویسندگان این مطالعه این چالش را با حذف کامل تماس حل کردند. بهجای لمس ماده، از نور استفاده کردند.
ابتدا، پژوهشگران یک نمونه نازک از آلومینیوم را گرفته و با یک لیزر قدرتمند به آن ضربه زدند، بهسرعت به حدود ۱۰٬۰۰۰ کلوین (حدود دو برابر دمای سطح خورشید) گرم شد. در این مرحله، آلومینیوم به حالت ماده گرم متراکم تبدیل شد.
سپس نوآوری کلیدی وارد شد: تیم تشعشعات ترهرتز، نوعی نور با طول موجهای بسیار کوتاه، را به نمونهٔ درخشان و گرم شلیک کرد. این نور یک میدان الکتریکی داخل آلومینیوم ایجاد کرد بدون اینکه تماس فیزیکی برقرار کند.
با اندازهگیری دقیقی از واکنش ماده به این میدان، پژوهشگران توانستند هدایت الکتریکی آن را بهصورت مستقیم محاسبه کنند. به گفته سیگفرید گلنزر، یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، «این دقیقترین تکنیک تا به امروز برای اندازهگیری هدایت در ماده گرم متراکم است».
مشاهدات تیم آنها را شگفتزده کرد. هنگامی که آلومینیوم گرم شد، توانایی آن در هدایت الکتریکی بهطور ناگهانی کاهش یافت — نه یکبار بلکه دو بار. کاهش اول همانطور که انتظار میرفت، زمانی رخ داد که ماده از فلز جامد به حالت ماده گرم متراکم تغییر کرد. اما کاهش دوم پیش از این بهوضوح مشاهده نشده بود.
برای درک دلیل آن، پژوهشگران به ابزاری دیگر قدرتمند در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC که متعلق به وزارت انرژی است، روی آوردند و تجزیهپذیری الکترونی فوقسریع انجام دادند. با پرتاب الکترونهای پر انرژی از طریق نمونه، آنها تصاویر مقیاس اتمی از آلومینیوم را بهدست آوردند که در زمانهای تقریباً یک پیکوثانیه (یک میلیونیم از یک میلیونیم ثانیه) تغییر میکرد.
این اندازهگیریها نشان دادند که کاهش دوم هدایت زمانی رخ داد که ساختار اتمی آلومینیوم گرم متراکم بهطور ناگهانی نظم خود را از دست داد و بهیک حالت بینظم تبدیل شد.
اکنون دانشمندان میتوانند به شرایط افراطی دسترسی پیدا کنند
این روش بدون تماس جدید بیش از حل یک مشکل فنی است. این روش به فیزیکدانان راهی قابل اعتماد برای آزمون و بهبود مدلهای ماده تحت شرایط افراطی ارائه میدهد. این مدلها برای درک ستارگان، درون سیارات و انرژی همجوشی هستهای اساسی هستند.
این میتواند به دانشمندان کمک کند تا بهتر توضیح دهند که چگونه میدان مغناطیسی زمین تولید میشود و طراحیهای آزمایشهای همجوشی هستهای را بهبود بخشد، جایی که مواد با شرایط مشابهی مواجه هستند.
با این حال، هنوز محدودیتهایی وجود دارد. برای مثال، تا کنون این روش تنها بر روی آلومینیوم، که یک فلز نسبتاً ساده است، به نمایش گذاشته شده است. اما تیم در حال برنامهریزی برای گسترش کار خود است.
“من مشتاقم که این اندازهگیریها را روی مواد پیچیدهتر و همچنین مواد مرتبط با هستهٔ زمین، مانند آهن، انجام دهم” Benjamin Ofori-Okai, نویسندهٔ اول این مطالعه و پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه استنفورد، گفت.
برای دههها، ماده گرم متراکم چیزی بود که فیزیکدانان میدانستند وجود دارد اما به سختی میتوانستند آن را مطالعه کنند. اکنون که نور بهعنوان یک سنسور دقیق و بدون تماس عمل میکند، این مانع سرانجام از بین رفته است — بهطوری که برخی از شدیدترین محیطهای کیهانی برای اولین بار در دسترس آزمایشها قرار گرفتهاند.
این مطالعه در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.