Vědci z USA poprvé pozorují atomární změny: Přístroj FIDDLE zkoumá materiály pod tlakem 10 milionkrát vyšším než na Zemi

Vědci vyvinuli specializovaný přístroj nazvaný FIDDLE (Flexible Imaging Diffraction Diagnostic for Laser Experiments), který dokáže zachytit bleskové změny vlastností materiálů na atomární úrovni.

Vědci vyvinuli specializovaný přístroj nazvaný FIDDLE (Flexible Imaging Diffraction Diagnostic for Laser Experiments), který dokáže zachytit bleskové změny vlastností materiálů na atomární úrovni. Tato technologie byla navržena speciálně pro experimentální platformu National Ignition Facility (NIF) a nedávno získala prestižní ocenění R&D 100 Award.

FIDDLE je určen pro experimenty s laserem řízenou kompresí. Vystavuje netavitelné materiály extrémním teplotám a tlakům, které dosahují 1 až 10 milionůkrát vyšší hodnoty než atmosférický tlak Země. Cílem je zachytit změny na atomární úrovni, k nimž dochází, když materiály mění fáze. Přístroj byl vyvinut laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ve spolupráci se Sandia National Laboratories a Advanced hCMOS Systems.

Odborníci se dlouho snažili pozorovat tyto strukturální transformace v reálném čase za extrémních podmínek, ale bez úspěchu. Změny probíhají příliš rychle a pod tlaky příliš silnými, než aby je standardní kamery dokázaly zaznamenat. FIDDLE tento problém řeší. Například uhlíkové atomy mohou tvořit měkký grafit nebo diamant tvrdý natolik, aby řezal ocel. Rozdíl spočívá v uspořádání atomů – malý posun v jejich uspořádání na subatomární úrovni mění vše o chování materiálu. Fyzik z LLNL Cara Vennari vysvětluje, že drastické rozdíly v makroskopickém chování materiálu jsou spojeny s posuny, které probíhají v řádu angstromů.

Pro pozorování těchto posunů v angstromovém měřítku využívá FIDDLE vysoce specializovanou techniku. Sekundární sada laserových paprsků zasáhne blízkou kovovou fólii, čímž vygeneruje krátký záblesk rentgenových paprsků. Tyto rentgenové paprsky procházejí stlačeným vzorkem, ohýbají se a rozptylují, čímž vytvářejí difrakční obrazec. Zatímco starší přístroje dokázaly pořídit pouze jeden nebo dva snímky, než experiment skončil nebo zařízení selhalo, FIDDLE dokáže více. Obsahuje až osm vlastních hybridních CMOS senzorů v jediném, těsně seskupeném poli. Tyto senzory, umístěné pouhých 50 milimetrů od cíle, zachytí čtyři až osm odlišných snímků v rychlém sledu, přičemž čas mezi snímky je pouhé dvě nanosekundy. Výsledkem je časově rozlišená sekvence, která přesně ukazuje, jak se atomární mřížka materiálu vyvíjí pod tlakem.

Vývoj přístroje nebyl snadný. Vnitřek cílové komory NIF je během laserového výstřelu chaotickým prostředím plným střepin, létajících kovových úlomků a oslepujícího záření na pozadí. Produkuje také intenzivní elektromagnetické pulsy schopné poškodit elektroniku. Inženýrský tým musel vybudovat těžké stínění, aby izoloval 130 kilogramů vážící přístroj od tohoto nepřátelského prostředí. Byly přidány smyčky nuceného proudění vzduchu a vodního chlazení, aby se zabránilo přehřívání hustě osazených senzorových čipů. Počáteční testy se potýkaly s rušivou překážkou: rentgenové paprsky na pozadí pronikaly do dat a znečišťovaly snímky. Tento problém byl vyřešen zaměřením na samotné pouzdro cíle. Tým se podařilo odstínit senzory od nežádoucího záření jednoduchým jemným oholením a nakloněním vnějšího okraje těla cíle, čímž se signál vyčistil.