Lasers could heat materials to temp

Lasers could heat materials to temperatures hotter than the centre of the Sun in only 20 quadrillionths of a second, according to new research.
Credit: NASA/SDO
Lasers could heat materials to temperatures hotter than the centre of the Sun in only 20 quadrillionths of a second, according to new research.

Theoretical physicists from Imperial College London have devised an extremely rapid heating mechanism that they believe could heat certain materials to ten million degrees in much less than a million millionth of a second.

The method, proposed here for the first time, could be relevant to new avenues of research in thermonuclear fusion energy, where scientists are seeking to replicate the Sun's ability to produce clean energy.

The heating would be about 100 times faster than rates currently seen in fusion experiments using the world's most energetic laser system at the Lawrence Livermore National Laboratory in California. The race is now on for fellow scientists to put the team's method into practice.

Researchers have been using high-power lasers to heat material as part of the effort to create fusion energy for many years. In this new study, the physicists at Imperial were looking for ways to directly heat up ions -- particles which make up the bulk of matter.

When lasers are used to heat most materials, the energy from the laser first heats up the electrons in the target. These in turn heat up the ions, making the process slower than targeting the ions directly.

The Imperial team discovered that when a high-intensity laser is fired at a certain type of material, it will create an electrostatic shockwave that can heat ions directly. Their discovery is published today in the journal Nature Communications.

"It's a completely unexpected result. One of the problems with fusion research has been getting the energy from the laser in the right place at the right time. This method puts energy straight into the ions," said the paper's lead author, Dr Arthur Turrell.

Normally, laser-induced electrostatic shockwaves push ions ahead of them, causing them to accelerate away from the shockwave but not heat up. However, using sophisticated supercomputer modelling, the team discovered that if a material contains special combinations of ions, they will be accelerated by the shockwave at different speeds. This causes friction, which in turn causes them to rapidly heat. They found that the effect would be strongest in solids with two ion types, such as plastics.

"The two types of ions act like matches and a box; you need both," explained study co-author Dr Mark Sherlock from the Department of Physics at Imperial. "A bunch of matches will never light on their own -- you need the friction caused by striking them against the box."

"That the actual material used as a target mattered so much was a surprise in itself," added study co-author Professor Steven Rose. "In materials with only one ion type, the effect completely disappears."

The heating is so fast in part because the material targeted is so dense. The ions are squeezed together to almost ten times the usual density of a solid material as the electrostatic shockwave passes, causing the frictional effect to be much stronger than it would be in a less-dense material, such as a gas.

The technique, if proven experimentally, could be the fastest heating rate ever demonstrated in a lab for a significant number of particles.

"Faster temperature changes happen when atoms smash together in accelerators like the Large Hadron Collider, but these collisions are between single pairs of particles," said Dr Turrell. "In contrast the proposed technique could be explored at many laser facilities around the world, and would heat material at solid density.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

แสงเลเซอร์สามารถกันความร้อนวัสดุอุณหภูมิที่ร้อนกว่าใจกลางของดวงอาทิตย์ใน 20 เท่านั้น quadrillionths ที่สอง ตามงานวิจัยใหม่ได้เครดิต: NASA/SDOแสงเลเซอร์สามารถกันความร้อนวัสดุอุณหภูมิที่ร้อนกว่าใจกลางของดวงอาทิตย์ใน 20 เท่านั้น quadrillionths ที่สอง ตามงานวิจัยใหม่ได้Physicists ทฤษฎีจากวิทยาลัยอิมพีเรียลลอนดอนได้คิดค้นกลไกความร้อนอย่างรวดเร็วมากที่เชื่อว่า สามารถกันความร้อนวัสดุบางสิบล้านองศาในชี้น้อยกว่าล้านของหนึ่งวินาทีวิธี การนำเสนอที่นี่เป็นครั้งแรก ไม่ได้เกี่ยวข้องกับ avenues ใหม่ของวิจัยในฟิวชั่น thermonuclear พลังงาน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์กำลังทำการจำลองแบบของดวงอาทิตย์สามารถผลิตพลังงานสะอาดความร้อนที่จะประมาณ 100 ครั้งได้เร็วขึ้นมากกว่าราคาที่เห็นในปัจจุบันในการฟิวชั่นโดยใช้ระบบเลเซอร์มีพลังมากที่สุดในโลกที่ลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์แห่งชาติห้องปฏิบัติในแคลิฟอร์เนีย การแข่งขันอยู่ตอนนี้สำหรับเพื่อนนักวิทยาศาสตร์จะนำวิธีการของทีมงานสู่การปฏิบัตินักวิจัยได้ใช้แสงเลเซอร์กำลังแรงสูงไปความร้อนวัสดุเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามเพื่อสร้างพลังงานฟิวชั่นหลายปี ในการศึกษาใหม่นี้ physicists ที่อิมพีเรียลได้มองหาวิธีการโดยตรงความร้อนค่าประจุ - อนุภาคที่ประกอบเป็นกลุ่มเรื่องเมื่อมีใช้แสงเลเซอร์ไปความร้อนวัสดุต่าง ๆ พลังงานจากเลเซอร์ก่อน heats ขึ้นอิเล็กตรอนในเป้าหมาย เหล่านี้จะร้อนขึ้นกัน ทำให้กระบวนการทำงานช้ากว่ากันในการกำหนดเป้าหมายโดยตรงทีมอิมพีเรียลพบว่า เมื่อมียิงเลเซอร์ความเข้มสูงที่วัสดุบางชนิด จะสร้าง shockwave เป็นไฟฟ้าสถิตที่สามารถกันความร้อนกันโดยตรง การค้นพบมีการเผยแพร่วันนี้ในสมุดรายวันการสื่อสารของธรรมชาติ"มันเป็นผลที่ไม่คาดคิดโดยสิ้นเชิง เกี่ยวกับการวิจัยอาหารอย่างใดอย่างหนึ่งได้รับพลังงานจากเลเซอร์ในสถานที่เหมาะในเวลาเหมาะสม วิธีนี้ทำให้พลังงานตรงเข้ากัน กล่าวว่า ผู้เขียนเป้าหมายของกระดาษ Dr Arthur เทอร์เรลล์ปกติ เกิดจากเลเซอร์ shockwaves งานผลักดันกันก่อนพวกเขา สาเหตุการเร่งจาก shockwave แต่ไม่คับ อย่างไรก็ตาม การใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนที่แบบจำลอง ทีมค้นพบว่า ถ้าวัสดุประกอบด้วยชุดพิเศษของประจุ พวกเขาจะถูกเร่ง โดย shockwave ที่ความเร็วแตกต่างกัน ทำให้แรงเสียดทาน ซึ่งจะทำให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว พวกเขาพบว่า ผลจะแข็งแกร่งในของแข็งกับไอออนชนิดสอง เช่นพลาสติก"สองชนิดประจุกระทำเช่นตรงและกล่อง คุณต้องการ ทั้ง"อธิบายผู้เขียนร่วมศึกษาดร.เชอร์ล็อกหมายจากภาควิชาฟิสิกส์ที่อิมพีเรียล "พวงตรงกันจะไม่สว่างด้วยตนเอง - ต้องแรงเสียดทานที่เกิดจากการโดดเด่นพวกเขากับกล่อง""ที่ จริงวัสดุที่ใช้เป็นเป้าหมาย mattered มากประหลาดใจในตัวเอง, " เพิ่มผู้เขียนร่วมศึกษาศาสตราจารย์ Steven โรส "วัสดุกับไอออนแต่ละชนิด ลักษณะพิเศษทั้งหมดหายไป"ความร้อนที่เป็นอย่างรวดเร็วในบางส่วนเพราะวัสดุเป้าหมายหนาแน่นดังนั้น ประจุที่คั้นกันไปเกือบสิบครั้งปกติความหนาแน่นของวัสดุแข็งเป็นผ่านงาน shockwave ผล frictional จะแกร่งกว่าได้ในวัสดุที่หนาแน่นน้อยกว่า เช่นก๊าซก่อให้เกิดการเทคนิค ถ้าพิสูจน์ experimentally อาจเป็นอัตราความร้อนที่เร็วที่สุดที่เคยแสดงในแล็บสำหรับหมายเลขที่สำคัญของอนุภาค"เร็วอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเมื่ออะตอมที่ชนกันในช่วยเช่นเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ แต่เหล่านี้ไม่เกิดการชนระหว่างอนุภาค คู่เดียว" กล่าวว่า ดร.เทอร์เรลล์ "ในเทคนิคการนำเสนอสามารถสำรวจที่อำนวยเลเซอร์ทั่วโลก และจะความร้อนวัสดุที่ความหนาแน่นทึบ

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เลเซอร์จะร้อนวัสดุที่มีอุณหภูมิร้อนกว่าศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ในเพียง 20 quadrillionths วินาทีตามการวิจัยใหม่.
เครดิต: นาซา / SDO
เลเซอร์สามารถวัสดุที่ให้ความร้อนที่มีอุณหภูมิร้อนกว่าที่ใจกลางของดวงอาทิตย์ในเพียง 20 quadrillionths ของ สองตามการวิจัยใหม่. ฟิสิกส์ทฤษฎีจากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนได้วางแผนกลไกความร้อนอย่างรวดเร็วมากที่พวกเขาเชื่อว่าจะสามารถให้ความร้อนวัสดุบางอย่างที่จะสิบล้านองศาในน้อยกว่าหนึ่งล้านล้านของวินาที. วิธีการที่นำเสนอที่นี่เป็นครั้งแรก เวลาที่อาจจะเกี่ยวข้องกับลู่ทางใหม่ของการวิจัยในการใช้พลังงานฟิวชั่นแสนสาหัสที่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาที่จะทำซ้ำความสามารถของดวงอาทิตย์ในการผลิตพลังงานสะอาด. ร้อนจะประมาณ 100 ครั้งเร็วกว่าอัตราปัจจุบันเห็นในการทดลองฟิวชั่นโดยใช้เลเซอร์ที่มีพลังมากที่สุดในโลก ระบบที่ Lawrence Livermore ห้องปฏิบัติการแห่งชาติในรัฐแคลิฟอร์เนีย การแข่งขันอยู่ในขณะนี้สำหรับเพื่อนนักวิทยาศาสตร์ที่จะนำวิธีการของทีมในการปฏิบัติ. นักวิจัยได้ใช้เลเซอร์พลังงานสูงวัสดุร้อนเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามที่จะสร้างพลังงานฟิวชั่นเป็นเวลาหลายปี ในการศึกษาครั้งใหม่นี้นักฟิสิกส์ที่อิมพีเรียลกำลังมองหาวิธีการให้ความร้อนโดยตรงขึ้นไอออน -. อนุภาคที่ทำขึ้นเป็นกลุ่มของเรื่องเมื่อเลเซอร์ที่ใช้ในการให้ความร้อนวัสดุส่วนใหญ่ที่ใช้พลังงานจากเลเซอร์ครั้งแรกที่ร้อนขึ้นอิเล็กตรอนในที่เป้าหมาย เหล่านี้ในทางกลับกันความร้อนขึ้นไอออนทำให้กระบวนการช้ากว่ากำหนดเป้าหมายไอออนโดยตรง. ทีมอิมพีเรียลค้นพบว่าเมื่อเลเซอร์ความเข้มสูงที่จะถูกยิงที่บางประเภทของวัสดุที่มันจะสร้างคลื่นไฟฟ้าสถิตที่สามารถให้ความร้อนไอออนโดยตรง การค้นพบของพวกเขาที่มีการเผยแพร่ในวันนี้ในวารสารการสื่อสารธรรมชาติ. "มันเป็นผลที่ไม่คาดคิดอย่างสมบูรณ์. หนึ่งในปัญหาที่มีการวิจัยฟิวชั่นได้รับการได้รับพลังงานจากเลเซอร์ในสถานที่ที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสม. วิธีการนี้จะทำให้พลังงานตรงเข้าไปไอออน "ผู้เขียนนำกระดาษกล่าวว่าอาร์เธอร์ Turrell ดร. ปกติเลเซอร์คลื่นกระแทกที่เกิดไฟฟ้าสถิตประจุผลักดันไปข้างหน้าของพวกเขาทำให้พวกเขาที่จะเร่งออกไปจากคลื่น แต่ไม่ร้อนขึ้น อย่างไรก็ตามการใช้การสร้างแบบจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีความซับซ้อนทีมค้นพบว่าถ้าวัสดุมีการรวมกันของไอออนพิเศษพวกเขาจะถูกเร่งโดยคลื่นกระแทกที่ความเร็วที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดแรงเสียดทานนี้ซึ่งจะทำให้พวกเขาได้อย่างรวดเร็วความร้อน พวกเขาพบว่าผลที่ออกมาจะเป็นที่แข็งแกร่งที่สุดในของแข็งที่มีสองไอออนชนิดเช่นพลาสติก. "ทั้งสองประเภทของไอออนกระทำเช่นการแข่งขันและกล่องที่คุณจำเป็นต้องใช้ทั้ง" อธิบายการศึกษาร่วมเขียนดรมาร์ค Sherlock จากภาควิชาฟิสิกส์ ที่อิมพีเรียล "พวงของการแข่งขันจะไม่สว่างเอง -. คุณต้องการแรงเสียดทานที่เกิดจากการที่โดดเด่นให้กับช่อง" "นั่นคือวัสดุที่ใช้จริงเป็นเป้าหมายที่สำคัญมากสร้างความประหลาดใจในตัวเอง" เพิ่มการศึกษาร่วมเขียน ศาสตราจารย์สตีเฟนโรส "ในวัสดุที่มีเพียงหนึ่งชนิดไอออนที่มีผลสมบูรณ์หายไป." ร้อนเป็นอย่างรวดเร็วส่วนหนึ่งเป็นเพราะวัสดุที่กำหนดเป้าหมายเพื่อให้มีความหนาแน่นสูง ไอออนถูกบีบด้วยกันไปเกือบสิบครั้งความหนาแน่นปกติของวัสดุที่เป็นของแข็งเป็นคลื่นไฟฟ้าสถิตผ่านที่ก่อให้เกิดผลกระทบที่เกิดแรงเสียดทานที่จะมีความเข้มแข็งมากขึ้นกว่าที่มันจะอยู่ในวัสดุน้อยหนาแน่นเช่นก๊าซ. เทคนิคถ้า การพิสูจน์ทดลองอาจจะมีอัตราความร้อนที่เร็วที่สุดที่แสดงให้เห็นถึงที่เคยอยู่ในห้องปฏิบัติการสำหรับจำนวนมากของอนุภาค. "การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้เร็วขึ้นเกิดขึ้นเมื่ออะตอมชนกันในเครื่องเร่งอนุภาคเช่นเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ แต่ชนเหล่านี้อยู่ระหว่างคู่เดียวของอนุภาค" กล่าวว่า ดร Turrell "ในทางตรงกันข้ามเทคนิคที่นำเสนอจะได้รับการสำรวจที่อำนวยความสะดวกเลเซอร์หลายแห่งทั่วโลกและจะให้ความร้อนความหนาแน่นของวัสดุที่เป็นของแข็ง

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

เลเซอร์สามารถความร้อนวัสดุอุณหภูมิร้อนกว่า ศูนย์ ของ ดวงอาทิตย์ ในเวลาเพียง 20 quadrillionths ของวินาที , ตามการวิจัยใหม่

เครดิต : นาซา / SDO เลเซอร์สามารถความร้อนวัสดุอุณหภูมิร้อนกว่า ศูนย์ ของ ดวงอาทิตย์ ในเวลาเพียง 20 quadrillionths ของวินาที , ตามการวิจัยใหม่

ทฤษฎี นักฟิสิกส์จากอิมพีเรียลคอลเลจ ลอนดอนมี devised อย่างรวดเร็วมากความร้อนกลไกที่พวกเขาเชื่อว่าสามารถความร้อนวัสดุบางอย่างเพื่อ 10 ล้านองศาน้อยกว่าล้านพันล้านของวินาที

วิธีขอแต่งงานที่นี่เป็นครั้งแรก อาจเกี่ยวข้องกับลู่ทางใหม่ของการวิจัยในการฟิวชั่นสาหัสพลังงานที่นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะทำซ้ำของดวงอาทิตย์สามารถผลิตพลังงานสะอาด

ความร้อนจะประมาณ 100 ครั้งเร็วกว่าอัตราปัจจุบันเห็นในการทดลองใช้ระบบเลเซอร์ฟิวชั่นที่คึกคักมากที่สุดของโลกที่ Lawrence Livermore National Laboratory ในแคลิฟอร์เนีย การแข่งขันอยู่ในขณะนี้สำหรับเพื่อนนักวิทยาศาสตร์เอาวิธีการของทีม

สู่การปฏิบัตินักวิจัยได้ใช้เลเซอร์ความร้อนสูง วัสดุเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามสร้างพลังงานฟิวชั่น เป็นเวลาหลายปี ในการศึกษาใหม่นี้ นักฟิสิกส์ที่อิมพีเรียลมองหาวิธีการโดยตรงความร้อนไอออน -- อนุภาคซึ่งทำให้ขึ้นเป็นกลุ่มของเรื่อง

เมื่อเลเซอร์จะใช้ความร้อนวัสดุมากที่สุด พลังงานจากเลเซอร์ครั้งแรกร้อนอิเล็กตรอนในเป้าหมายเหล่านี้ในการเปิดความร้อนขึ้นไอออน ทำให้กระบวนการช้ากว่าเป้าหมายไอออนโดยตรง

ทีมอิมพีเรียลค้นพบว่าเมื่อใช้เลเซอร์ยิงไปที่ชนิดของวัสดุนั้นจะสร้างไฟฟ้าสถิต ช็อคเวฟที่ความร้อนไอออนโดยตรง การค้นพบของพวกเขาถูกตีพิมพ์ในวันนี้ในวารสารการสื่อสารธรรมชาติ

" มัน " อย่างไม่คาดคิดหนึ่งในปัญหาที่เกี่ยวกับการวิจัย การได้รับพลังงานจากเลเซอร์ ในสถานที่ที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสม วิธีนี้ทำให้พลังงานตรงไอออน กล่าวว่า ผู้เขียนนำกระดาษ ของ ดร. อาเธอร์ เทอร์เรลล์

ปกติ laser-induced electrostatic ไอออนละดันไปข้างหน้าของพวกเขา ทำให้พวกเขาต้องเร่งออกไปจากช็อคเวฟแต่ไม่ร้อนขึ้น อย่างไรก็ตามการใช้แบบจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อน , ทีมค้นพบว่าถ้าวัสดุมีชุดพิเศษของไอออนจะถูกเร่งโดยช็อคเวฟที่ความเร็วที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทาน ซึ่งจะทําให้พวกเขาอย่างรวดเร็ว ความร้อน พวกเขาพบว่าผลจะจบในของแข็งกับไอออน 2 ชนิด เช่นพลาสติก

" สองชนิดของไอออนทำตัวตรงและกล่องต้องมีทั้ง " อธิบายผู้เขียนศึกษา ดร. มาร์ค เชอร์ล็อค จากภาควิชาฟิสิกส์ อิมพีเรียล " พวงของการแข่งขันจะไม่มีแสงในตัวเอง -- คุณต้องการแรงเสียดทานที่เกิดจากการตื่นตาตื่นใจกับกล่อง "

" ที่เป็นจริง วัสดุที่ใช้เป็นเป้าหมายสำคัญมากเป็นประหลาดใจในตัวเอง " เพิ่มผู้เขียนศึกษาศาสตราจารย์ Steven Rose ” ในวัสดุที่มีเพียงหนึ่งไอออนชนิดผลทั้งหมดจะหายไป "

ร้อนเร็วมาก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะวัสดุที่เป็นเป้าหมายให้หนาแน่น ไอออนจะบีบกันเกือบสิบเท่าปกติความหนาแน่นของวัสดุของแข็งเป็นช็อคเวฟไฟฟ้าสถิตผ่าน ก่อให้เกิดผลแรงเสียดทานจะเข้มแข็งกว่าที่มันจะอยู่ในวัสดุที่หนาแน่นน้อยกว่า เช่น ก๊าซ

เทคนิค ถ้าผลพิสูจน์ ,