Termómetro preciso de rayos X para materia densa caliente

Un nuevo método de determinación de la temperatura abre el horizonte a multitud de experimentos prácticamente inviables hasta ahora

06.02.2023 - Alemania

La materia densa cálida (WDM) mide miles de grados de temperatura y se encuentra bajo la presión de miles de atmósferas terrestres. Se encuentra en muchos lugares del universo y se espera que tenga aplicaciones beneficiosas en la Tierra. Sin embargo, su investigación es todo un reto. Incluso la temperatura de un material en condiciones de WDM es cualquier cosa menos fácil de determinar. Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Tobias Dornheim, del Centro de Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) de la HZDR, ha demostrado una solución matemática que permite evaluar con precisión la temperatura.

Como señala el equipo en la revista Nature Communications, su método puede utilizarse fácilmente en instalaciones experimentales de investigación de la materia de todo el mundo y agilizar la obtención de conocimientos científicos.

La investigación de la WDM sirve sobre todo para comprender los planetas y las estrellas. Pero hay otras razones por las que los expertos intentan recrear tales estados de la materia con elaborados experimentos en la Tierra: Son tan concebibles nuevos materiales con propiedades fascinantes como avances significativos para la fusión por confinamiento inercial (FCI), un prometedor método de generación de energía.

La nueva mezcla de polímeros crea un sensor de calor ultrasensible

Geles poliméricos con coeficiente Seebeck iónico sintonizable para termópilas impresas ultrasensibles

Leer noticia

En el laboratorio, la FDM puede generarse actualmente durante fracciones de segundo mediante potentes destellos láser. Pero la evaluación de estos experimentos lleva mucho tiempo y dificulta la comprensión básica de qué es la WDM y cómo se comporta. La dispersión de rayos X se ha revelado como un método de medición prometedor. Además de los láseres que generan la materia densa caliente, se dirige un láser de rayos X adicional a la muestra. Dependiendo de cómo se disperse su luz al atravesar la muestra, se pueden extraer conclusiones sobre las propiedades del material. Esta denominada dispersión de rayos X Thomson se evalúa mediante simulaciones o modelos. Sin embargo, ninguna de las dos variantes es muy precisa, ya que siempre hay que hacer ciertas suposiciones para obtener resultados. Las simulaciones, en particular, también consumen muchos recursos, y los investigadores necesitan acceder a los mayores superordenadores del mundo para ejecutarlas. La evaluación de experimentos ha sido, por tanto, un cuello de botella para el progreso científico.

"Demostramos con nuestro trabajo que es posible evaluar los datos de dispersión sin utilizar simulaciones o modelos y todas sus aproximaciones y suposiciones", afirma el Dr. Tobias Dornheim, primer autor del estudio y líder del Grupo de Jóvenes Investigadores "Fronteras de la Teoría Cuántica Computacional de Muchos Cuerpos" en CASUS. "No reproducimos los experimentos, sino que extraemos la temperatura directamente de la medición. Esto reduce muchas veces el esfuerzo de evaluar experimentos con WDM. Nuestro método también es mucho más preciso que basarse en simulaciones y modelos. Interpretar los resultados es sencillo y directo". Dornheim y su equipo basan su método en un procedimiento matemático fundamental, la transformada de Laplace. Utilizando tres ejemplos, demuestran que su método permite determinar la temperatura de los WDM sin sesgos. Los materiales reales estudiados y la instalación experimental de la que proceden los datos de dispersión son de menor importancia. La determinación de propiedades propuesta, también denominada diagnóstico, es de aplicación universal y no requiere el uso de superordenadores.

Un proyecto CASUS típico

"Este nuevo enfoque demuestra que a veces se puede realizar una tarea de cálculo intensivo más rápido y mejor simplemente pensando de forma diferente sobre la compleja cuestión en cuestión", afirma el Dr. Michael Bussmann, Director Científico de CASUS. "Esta publicación ejemplifica el camino que hemos tomado con CASUS: repensar la investigación de sistemas complejos con uso intensivo de datos a través de disciplinas individuales".

"Confiamos en que nuestro método sea adoptado por los físicos experimentales y les resulte útil a la hora de evaluar su trabajo", añade Dornheim. Un campo que podría beneficiarse es la investigación de la energía de fusión. Aquí se intenta reproducir en la Tierra procesos que tienen lugar en las estrellas. En la ICF, por ejemplo, el combustible compuesto de deuterio y tritio se calienta y comprime extremadamente; un estado intermedio es el WDM. Para seguir de cerca este proceso se utiliza la dispersión de rayos X.

Elemento decisivo en la investigación de la energía de fusión

Un reciente anuncio de la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en Estados Unidos, dio un gran impulso al campo de la ICF. Por primera vez se ha logrado en la NIF una ignición de fusión en la que se ha producido más energía por la reacción de fusión que la aportada por los láseres para iniciar la reacción. El estudiante de doctorado de CASUS Maximilian Böhme realizó investigaciones en NIF durante seis meses a finales de 2018/19. Como segundo autor de la nueva publicación, contribuyó significativamente al desarrollo del enfoque. "Los experimentos de fusión en NIF también utilizan la dispersión de rayos X para medir la temperatura. Y el equipo de allí está luchando exactamente con las mismas deficiencias de los diagnósticos disponibles. La determinación rápida y precisa de la temperatura es, sin duda, un elemento crucial que hará avanzar mucho la investigación de la energía de fusión. Y es exactamente ese elemento el que estamos aportando ahora con nuestro trabajo", considera Böhme.

Además, el nuevo método es útil para experimentos de astrofísica de laboratorio para los que se utiliza la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) del XFEL europeo. Algunos de estos experimentos pretenden mejorar nuestra comprensión de los numerosos planetas conocidos actualmente fuera de nuestro sistema solar y probar si la vida podría ser posible en uno de ellos.

En colaboración con el Dr. Tilo Döppner (LLNL), el Dr. Thomas Preston (XFEL Europeo) y el Prof. Dominik Kraus (Universidad de Rostock y HZDR) -todos ellos físicos experimentales y coautores de la presente publicación-, Dornheim y su equipo pretenden ahora demostrar que su método también permite extraer conclusiones sobre otras propiedades de los WDM más allá de la temperatura de una manera precisa y directa.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.