Deney, elektronların sıcak ve yoğun maddede gerçekte nasıl davrandığına dair inançları altüst ediyor

Avrupa XFEL, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Rostock Üniversitesi ve diğer işbirliği yapan kurumlardaki araştırmacılar, elektronların sıcak ve yoğun maddedeki davranışlarına ilişkin en yaygın kullanılan modellerin hatalı olduğunu göstermek için yüksek hassasiyetli deneyler kullandılar. Sıcak ve yoğun maddenin incelenmesi zordur, ancak aynı zamanda gezegenlerin iç mekanlarının incelenmesi, malzeme bilimi ve lazer füzyon deneyleri de dahil olmak üzere çok sayıda araştırma için de kilit öneme sahiptir. Çalışma şurada yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Sıcak yoğun maddede elektron yoğunluğu salınır. Toplu salınımlara plazmon denir. Önemli bilgiler taşırlar ve X-ışınları kullanılarak gözlemlenebilirler, bu da saçılma spektrumları (bir detektör tarafından yakalanan soyut görüntüler) ile sonuçlanır. Birçok deneyde bu spektrumlar, basitleştirilmiş tekdüze elektron gazı modelleri kullanılarak yorumlanır. Bununla birlikte, yeni ölçümler, sıcak yoğun alüminyum için bu modellerin plazmon enerjisini sürekli olarak yaklaşık %25’e kadar (yaklaşık 8 elektronvolt) fazla tahmin ettiğini ve sinyalin ölçülen şeklini tam olarak yeniden üretemediğini göstermektedir.

Avrupa XFEL’den Dr. Thomas Preston, “Ölçümlerimiz rakip modelleri açıkça ayırt edebilecek kadar hassastır” diyor. “Bu önemli, çünkü bu modeller maddenin aşırı durumlarını teşhis etmek için yaygın olarak kullanılıyor. Eğer model yanlışsa, bu, özelliklerin hatalı şekilde çıkarılmasına yol açar.”

Elektron davranışı, örneğin opaklık, optik özellikler, elektriksel iletkenlik ve enerji aktarımına ilişkin tahminleri etkiler.

Alüminyuma daha yakından bakış

Analizin simülasyon bölümünü yöneten HZDR’den Dr. Zhandos Moldabekov, “Sıcak, yoğun maddenin karmaşık fiziğini yakalamak, altta yatan mikrofiziğin daha karmaşık bir şekilde ele alınmasını gerektirir” diye açıklıyor.

Deney, güçlü nanosaniye DiPOLE lazeri kullanılarak Avrupa XFEL’deki yüksek enerji yoğunluğu cihazında (HED-HIBEF) gerçekleştirildi. Lazer, ince bir alüminyum folyoyu yaklaşık 50 gigapaskal (atmosfer basıncının 500.000 katı) bir basınca ve yaklaşık 7.000 Kelvin (yaklaşık 6.700 santigrat derece) bir sıcaklığa sıkıştırdı. Şok dalgası alüminyumun arka yüzeyinden patlamadan önce, Avrupa XFEL’den gelen ultra kısa X-ışını darbeleri numuneyi araştırdı ve plazmon sinyalini kaydetti.

Aynı anda birden fazla yöntemin kullanılması (X-ışını Thomson saçılımı, X-ışını kırınımı ve bağımsız şok teşhisi), araştırmacıların teoriyi iyi kısıtlanmış bir deneysel durumla karşılaştırmasını sağladı.

Simülasyonlar ölçülen sinyalle eşleşiyor

Ekip, daha basit modellerin aksine, en son teknolojiye sahip zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teorisi simülasyonlarının deneysel gözlemleri güvenilir bir şekilde yeniden ürettiğini gösterdi. Bu yöntem, sıkıştırılmış sıvının düzensiz atom yapısında elektronların nasıl tepki verdiğini kesin olarak hesaplar. Daha fazla hesaplama kaynağı gerektirir, ancak son yıllarda daha uygulanabilir hale gelmiştir. Araştırmacılar, niceliksel doğruluk gerektiğinde bu daha ayrıntılı simülasyonların gerekli olduğunu, çünkü sıvıdaki atomların konumlarının ve elektronlar ile iyonlar arasındaki etkileşimlerin elektron tepkisini doğrudan etkilediğini savunuyorlar.

Çalışmanın ilk yazarı Dmitrii Bespalov, “Genellikle basit bir metal olarak ele alınan alüminyum için bile, malzeme bu aşırı rejime maruz kaldığında elektron tepkisi aşırı tekdüze modellerle iyi tanımlanamıyor” diyor. “Yalnızca gerçek düzensiz yapıyı açıkladığımızda teori ve deney aynı fikirde olur.”

Aynı deneysel yaklaşım, gezegenlerin iç mekanlarıyla ilgili koşullar ve lazer füzyonu için kullanılan yakıt hedefleri dahil olmak üzere diğer malzemelere ve daha yüksek sıcaklıklara genişletilebilir.