En ny undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation Viser for første gang, hvordan varme bevæger sig-eller rettere, ikke-mellem materialer i en højenergitæthedsplasmasilstand.
Arbejdet forventes at give en bedre forståelse af inertielle indeslutningsfusionseksperimenter, der sigter mod at pålideligt opnå fusionstænding på jorden ved hjælp af lasere. Hvordan varme flyder mellem et varmt plasma og en materiales overflade er også vigtig i andre teknologier, herunder ætsning af halvleder og køretøjer, der flyver med hypersoniske hastigheder.
Plasmas med høj energi-densitet produceres kun ved ekstreme tryk og temperaturer. Undersøgelsen viser, at grænseflademodstand, et fænomen, der er kendt for at hindre varmeoverførsel under mindre ekstreme forhold, også forhindrer varmestrømning mellem forskellige materialer i en tæt, super-varm plasmatilstand.
Forskningen blev ledet af Thomas White, en fysiker ved University of Nevada, Reno, og hans tidligere doktorand, Cameron Allen.
“At forstå, hvordan energi strømmer over en grænse, er et grundlæggende spørgsmål, og dette arbejde giver os ny indsigt i, hvordan dette sker i de usædvanligt energitæt miljøer, man finder inde i stjerner og planetariske kerner,” siger Jeremiah Williams, en programleder for NSF Plasma Physics Program.
White og Allens eksperiment fokuserede på, hvordan varme bevæger sig mellem metal og plast opvarmet til ekstreme temperaturer og tryk. For at gøre dette brugte de de højdrevne omega-60-laser på University of Rochester i New York til at varme kobberfolier og udsende røntgenstråler, som ensartet opvarmer en metal wolframtråd ved siden af en plastbelægning.
I deres eksperiment blev wolframtråden opvarmet til ca. 180.000 grader Fahrenheit, mens dens plastbelægning forblev relativt cool til “kun” 20.000 grader Fahrenheit. Ved hjælp af en række laserskud med gradvis forsinket timing var forskerne i stand til at se, om varmen bevægede sig mellem wolfram og plast.
”Da vi kiggede på dataene, var vi totalt chokeret, fordi varmen ikke flød mellem disse materialer,” sagde White. “Det blev fast ved grænsefladen mellem materialerne, og vi brugte lang tid på at prøve at finde ud af hvorfor.”
Årsagen var grænseflademodstand. Elektronerne i det varmere materiale ankommer til grænsefladen mellem de materialer, der bærer termisk energi, men spreder sig derefter af og bevæger sig tilbage i det varmere materiale, forklarer hvidt.
“Laboratorier med høj energi giver et vigtigt værktøj til at udvikle en præcis forståelse af disse ekstreme miljøer – og dette har konsekvenser for en lang række vigtige teknologier, fra medicinsk diagnostik til nationale sikkerhedsapplikationer,” tilføjer Williams.