Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, впервые показывает, как тепло перемещается (или, скорее, не перемещается) между материалами в состоянии плазмы с высокой плотностью энергии.

Ожидается, что работа обеспечит лучшее понимание экспериментов по инерционному удержанию термоядерного синтеза, которые направлены на надежное достижение зажигания термоядерного синтеза на Земле с использованием лазеров. То, как тепло перетекает между горячей плазмой и поверхностью материала, также важно для других технологий, включая травление полупроводников и летательные аппараты, которые летают на гиперзвуковых скоростях.

Плазма высокой плотности энергии образуется только при экстремальных давлениях и температурах. Исследование показывает, что межфазное тепловое сопротивление, явление, которое, как известно, препятствует теплопередаче в менее экстремальных условиях, также препятствует тепловому потоку между различными материалами в состоянии плотной, сверхгорячей плазмы.

Исследование проводилось под руководством Томаса Уайта, физика из Университета Невады в Рино, и его бывшего аспиранта Кэмерона Аллена.

«Понимание того, как энергия пересекает границу, является фундаментальным вопросом, и эта работа дает нам новое представление о том, как это происходит в исключительно плотных по энергии средах, которые можно обнаружить внутри звезд и планетарных ядер», — говорит Джеремайя Уильямс, программный директор программы NSF Plasma Physics.

Эксперимент Уайта и Аллена был сосредоточен на том, как тепло перемещается между металлом и пластиком, нагретыми до экстремальных температур и давлений. Для этого они использовали мощный лазер Omega-60 в Университете Рочестера в Нью-Йорке для нагрева медной фольги и испускания рентгеновских лучей, которые равномерно нагревают металлическую вольфрамовую проволоку рядом с пластиковым покрытием.

В ходе эксперимента вольфрамовая проволока нагревалась примерно до 180 000 градусов по Фаренгейту, в то время как ее пластиковое покрытие оставалось относительно холодным при температуре «всего» 20 000 градусов по Фаренгейту. Используя серию лазерных выстрелов с постепенно отсроченным временем, исследователи смогли увидеть, перемещается ли тепло между вольфрамом и пластиком.

«Когда мы посмотрели на данные, мы были совершенно шокированы, потому что тепло не передавалось между этими материалами», — сказал Уайт. «Оно застревало на границе между материалами, и мы потратили много времени, пытаясь выяснить, почему».

Причиной было термическое сопротивление на границе раздела. Электроны в более горячем материале достигают границы раздела между материалами, переносящими тепловую энергию, но затем рассеиваются и возвращаются в более горячий материал, объясняет Уайт.

«Лаборатории высокоэнергетических лазеров являются важным инструментом для разработки точного понимания этих экстремальных условий, и это имеет значение для широкого спектра важных технологий: от медицинской диагностики до приложений национальной безопасности», — добавляет Уильямс.