우주의 조건을 시뮬레이션하는 데 도움이 되는 머리카락처럼 얇은 와이어

별과 행성 내부에서는 극한 조건이 지배적입니다. 압력은 수백만 바에 이르고 수백만 도의 고온이 될 수 있습니다. 정교한 방법을 사용하면 실험실에서 이러한 물질 상태를 만들 수 있습니다. 눈 깜짝할 새에 아주 작은 부피로 만들 수 있습니다. 지금까지는 캘리포니아의 National Ignition Facility(NIF)와 같은 세계에서 가장 강력한 레이저가 필요했습니다. 하지만 이러한 가벼운 거대 레이저는 몇 개뿐이며 그에 따라 실험 기회도 드뭅니다. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)가 이끄는 연구팀은 유럽 XFEL의 동료들과 함께 훨씬 작은 레이저로 극한 조건을 만들고 관찰하는 데 성공했습니다. 이 새로운 기술의 핵심은 인간 머리카락보다 가는 구리선입니다. 이 그룹은 Nature Communications 저널에 이를 보고했습니다.

지금까지 전문가들은 보통 얇은 호일인 재료 샘플에 매우 높은 에너지의 레이저 플래시를 발사해 왔습니다. 이로 인해 표면의 재료가 갑자기 가열됩니다. 이로 인해 샘플을 통과하는 충격파가 생성됩니다. 이는 재료를 압축하고 가열합니다. 몇 나노초 동안 행성 내부나 별 껍질과 같은 조건이 발생합니다. 이 작은 시간 창은 독일 함부르크 근처 셰네펠트에 있는 유럽 XFEL의 초강력 X선 플래시와 같은 특수 측정 기술을 사용하여 현상을 연구하기에 충분합니다.

여기 유럽에서 가장 강력한 X선 레이저에서 HZDR은 HIBEF(Helmholtz International Beamline for Extreme Fields)라는 국제 사용자 컨소시엄을 이끌고 있습니다. 이 컨소시엄은 무엇보다도 고에너지 밀도(HED-HIBEF) 실험 스테이션에서 레이저를 작동시키는데, 이 레이저는 특별히 높은 에너지가 아닌 초단 펄스를 생성합니다. 약 1줄에 불과합니다. 그러나 30펨토초에서는 너무 짧아서 100테라와트의 출력을 달성합니다. 연구팀은 HED-HIBEF에서 이 레이저를 사용하여 두께가 25마이크로미터에 불과한 얇은 구리선을 발사했습니다. 논문의 주저자인 알레한드로 라소 가르시아 박사는 "그런 다음 유럽 XFEL의 강력한 X선 플래시를 사용하여 전선 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 관찰할 수 있었습니다."라고 설명합니다. "이 단펄스 레이저와 X선 레이저의 조합은 세계에서 유일무이합니다. X선 빔의 높은 품질과 감도 덕분에 예상치 못한 효과를 관찰할 수 있었습니다."

집중된 충격파

과학자들은 여러 차례의 측정에서 레이저 플래시의 충격과 X선이 비춰지는 시간 간격을 체계적으로 변화시켰습니다. 이를 통해 사건의 자세한 "X선 필름"을 기록할 수 있었습니다. "먼저 레이저 펄스가 와이어와 상호 작용하여 폭발처럼 와이어를 통과하여 궁극적으로 파괴하는 국소 충격파를 생성합니다." HIBEF 부서장인 토마 톤시안 박사가 설명합니다. "하지만 그 전에 레이저가 와이어에 부딪힐 때 생성된 일부 고에너지 전자가 와이어 표면을 따라 달려갑니다." 이러한 빠른 전자는 와이어 표면을 빠르게 가열하고 추가 충격파를 생성합니다. 그런 다음 모든 면에서 차례로 와이어 중앙으로 이동합니다. 잠시 동안 모든 충격파가 충돌하여 매우 높은 압력과 온도를 생성합니다.

측정 결과, 와이어 중앙의 구리 밀도가 "정상적인" 차가운 구리보다 잠깐 8~9배 높았습니다. HZDR 방사선 물리학 연구소 소장이자 HIBEF 컨소시엄의 창시자인 토마스 코완 교수는 "저희 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 800메가바의 압력에 도달한 것으로 나타났습니다."라고 말했습니다. "이는 대기압의 8억 배, 지구 내부의 압력의 200배에 해당합니다." 도달한 온도도 지구 기준으로는 엄청났습니다. 섭씨 100,000도였습니다.

핵융합에 대한 전망

이는 백색 왜성의 코로나와 비슷한 조건입니다. "우리의 방법은 거대한 가스 행성의 내부와 같은 조건을 달성하는 데에도 사용될 수 있습니다."라고 라소 가르시아는 강조합니다. 여기에는 목성과 같은 잘 알려진 거성뿐만 아니라 지난 몇 년 동안 발견된 많은 먼 외계 행성도 포함됩니다. 연구팀은 이제 철과 플라스틱과 같은 다른 재료로 만든 전선에도 주목하고 있습니다. "플라스틱은 주로 수소와 탄소로 만들어집니다."라고 톤시안은 말합니다. "그리고 두 원소 모두 별과 코로나에서 발견됩니다."

새로운 측정 방법은 천체물리학뿐만 아니라 다른 연구 분야에도 유용할 것입니다. 유럽 XFEL의 HED 그룹을 이끄는 울프 자스트라우는 "우리의 실험은 다양한 재료에서 매우 높은 밀도와 온도를 생성할 수 있는 방법을 인상적인 방식으로 보여줍니다."라고 말합니다. "이것은 핵융합 연구를 한 단계 더 발전시킬 것입니다." 현재 전 세계의 여러 연구팀과 신생 기업이 고성능 레이저를 기반으로 하는 핵융합 발전소를 개발하고 있습니다.

원리: 강력한 레이저 플래시가 모든 면에서 얼어붙은 수소로 만든 연료 캡슐을 때리고 점화하는데, 이때 들어간 에너지보다 더 많은 에너지가 나옵니다. "저희 방법을 사용하면 레이저 펄스에 맞았을 때 캡슐 내부에서 무슨 일이 일어나는지 자세히 관찰할 수 있습니다."라고 코완은 미래의 실험을 설명하면서 말합니다. "이것이 이 분야의 기초 연구에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240912135814.htm