Překvapivý experiment mění pohled na chování elektronů v horké husté hmotě, klíčové pro planety i fúzi

Vědci z European XFEL, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Rostocké univerzity a dalších spolupracujících institucí provedli vysoce přesné experimenty, které ukázaly, že nejpoužívanější modely pro chování elektronů v horké husté hmotě jsou nepřesné.

Vědci z European XFEL, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Rostocké univerzity a dalších spolupracujících institucí provedli vysoce přesné experimenty, které ukázaly, že nejpoužívanější modely pro chování elektronů v horké husté hmotě jsou nepřesné. Horká hustá hmota je obtížně studovatelná, ale má klíčový význam pro řadu výzkumných oblastí, včetně zkoumání nitra planet, materiálové vědy a experimentů s laserovou fúzí.

V horké husté hmotě elektrony kolektivně oscilují, což se nazývá plazmony. Tyto oscilace nesou důležité informace a lze je pozorovat pomocí rentgenových paprsků, které vytvářejí rozptylová spektra. V mnoha experimentech jsou tato spektra interpretována pomocí zjednodušených modelů uniformního elektronového plynu. Nová měření však pro horký hustý hliník konzistentně ukazují, že tyto modely přeceňují energii plazmonů až o 25 % (přibližně 8 elektronvoltů) a nedokážou reprodukovat celý naměřený tvar signálu.

Dr. Thomas Preston z European XFEL zdůrazňuje, že jejich měření jsou dostatečně přesná, aby jasně rozlišila mezi konkurenčními modely. To je zásadní, protože tyto modely se široce používají k diagnostice extrémních stavů hmoty. Pokud je model nesprávný, vede to k nepřesným odhadům vlastností, jako je opacita, optické vlastnosti, elektrická vodivost a přenos energie. Dr. Zhandos Moldabekov z HZDR, který vedl simulační část analýzy, dodává, že zachycení komplexní fyziky horké husté hmoty vyžaduje sofistikovanější přístup k základní mikrofyzice.

Experiment byl proveden na zařízení HED-HIBEF v European XFEL za použití výkonného nanosekundového laseru DiPOLE. Laser stlačil tenkou hliníkovou fólii na tlak přibližně 50 gigapascalů (500 000krát atmosférický tlak) a teplotu kolem 7 000 Kelvinů (přibližně 6 700 stupňů Celsia). Předtím, než rázová vlna prorazila zadní povrch hliníku, ultrakrátké rentgenové pulzy z European XFEL prozkoumaly vzorek a zaznamenaly plazmonový signál. Současné použití více metod – rentgenového Thomsonova rozptylu, rentgenové difrakce a nezávislé diagnostiky rázových vln – umožnilo vědcům ověřit teorii proti dobře definovanému experimentálnímu stavu. Tento průlomový výzkum tak otevírá cestu k vývoji mnohem přesnějších modelů pro pochopení a využití horké husté hmoty v budoucích aplikacích.