Door krachtige lasers en heldere röntgenstralen te combineren, Imperial- en STFC-onderzoekers hebben een techniek gedemonstreerd die nieuwe extreme experimenten mogelijk maakt.

De nieuwe techniek zou in staat zijn om een ​​enkele röntgenflits te gebruiken om informatie vast te leggen over extreem dichte en hete materie, zoals te vinden in gasreuzenplaneten of op de korsten van dode sterren.

Dezelfde omstandigheden worden ook gevonden in fusie-experimenten, die proberen een nieuwe energiebron te creëren die de zon nabootst.

De techniek, meldde deze week in Fysieke beoordelingsbrieven , is ontwikkeld door een team onder leiding van wetenschappers van het Imperial College London en werkt samen met collega's, waaronder die van de Central Laser Facility in het VK bij de Science and Technology Facilities Council (STFC) Rutherford Appleton Laboratory, en werd gefinancierd door de European Research Council.

De onderzoekers wilden manieren verbeteren om 'warme dichte materie' te bestuderen - materie die dezelfde dichtheid heeft als een vaste stof, maar wordt verwarmd tot 10, 000? C. Onderzoekers kunnen warme, dichte materie creëren in het lab, het nabootsen van de omstandigheden in de harten van planeten of cruciaal voor fusiekracht, maar studeren is moeilijk.

Ontdekkingen versnellen

Het team gebruikte de Gemini Laser, die twee stralen heeft - een die de voorwaarden kan scheppen voor warme, dichte materie, en een die ultrakorte en heldere röntgenstralen kan creëren om de omstandigheden in de warme, dichte materie te onderzoeken.

Bij eerdere pogingen met lasers met een lager vermogen waren 50-100 röntgenflitsen nodig om dezelfde informatie te krijgen die de nieuwe techniek in slechts één flits kan verkrijgen. De flitsen duren slechts femtoseconden (quadrillionste van een seconde), wat betekent dat de nieuwe techniek op zeer korte tijdschalen kan onthullen wat er gebeurt in warme, dichte materie.

Eerste auteur Dr. Brendan Kettle, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"We zullen nu in staat zijn om warme, dichte materie veel efficiënter en met een ongekende resolutie te onderzoeken, die ontdekkingen in fusie-experimenten en astrofysica zou kunnen versnellen, zoals de interne structuur en evolutie van planeten, inclusief de aarde zelf."

De techniek kan ook worden gebruikt om snel veranderende omstandigheden in nieuwe soorten batterijen en geheugenopslagapparaten te onderzoeken.

Beantwoorden van belangrijke vragen

In de nieuwe studie het team gebruikte hun techniek om een ​​verwarmd staal van titanium te onderzoeken, met succes aantoonde dat het de verdeling van elektronen en ionen kon meten.

Hoofdonderzoeker Dr. Stuart Mangles, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"We zijn van plan de techniek te gebruiken om belangrijke vragen te beantwoorden over hoe de elektronen en ionen in deze warme, dichte materie met elkaar 'praten', en hoe snel kan energie van de elektronen naar de ionen worden overgedragen."

De Gemini Laser van de Centrale Laserfaciliteit is momenteel een van de weinige plaatsen waar de juiste voorwaarden voor de techniek kunnen worden gecreëerd, maar naarmate nieuwe faciliteiten over de hele wereld in gebruik worden genomen, het team hoopt dat de techniek kan worden uitgebreid en gebruikt om een ​​hele nieuwe klasse experimenten uit te voeren.

Dr. Rajeev Pattathil, Gemini Group Leader bij de Central Laser Facility, zei:"Met ultrakorte röntgenflitsen kunnen we een stilstaand beeld krijgen van voorbijgaande of dynamische processen in materialen, het onthullen van belangrijke nieuwe fundamentele informatie over materialen hier en in het bredere heelal, en vooral die in extreme staten."