Учёные разогрели тонкую плёнку твёрдого золота до температуры 19 000 кельвинов (18 700 °C или 33 700 °F), не допуская его перехода в жидкое состояние. Этот показатель в 14 раз превышает стандартную температуру плавления золота, которая составляет 1 337 К (1 064 °C). Нагрев был достигнут за триллионные доли секунды с помощью сверхбыстрых лазеров.
Эксперимент, результаты которого были опубликованы 23 июля в журнале Nature, возглавили Томас Уайт, доцент физики в Университете Невады в Рино, и Боб Наглер из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «Это, возможно, самый горячий кристаллический материал, когда-либо зарегистрированный», — заявил Томас Уайт.
Ключевой технологией стали сверхбыстрые рентгеновские лазеры высокой интенсивности. Процесс состоял из нескольких этапов. Сначала первый лазерный импульс длительностью 45 фемтосекунд (45 квадриллионных долей секунды) мгновенно нагревал тонкую кристаллическую плёнку золота.
При прохождении излучения через материал атомы золота начинали вибрировать с частотой, напрямую связанной с их температурой. Сразу после этого второй лазерный импульс направлялся на уже горячий образец. Этот импульс рассеивался на вибрирующих атомах.
Анализ сдвига частоты этих отражённых лучей позволил количественно измерить скорость движения атомов. На основе этих данных была с высокой точностью определена температура материала. Таким образом, был создан первый надёжный метод для измерения температуры в экстремально горячих и короткоживущих системах.
Эта разработка решает фундаментальную проблему в изучении «тёплого плотного вещества» — состояния материи, характерного для плазмы, окружающей Солнце, и ядер планет высокого давления. Такие системы чрезвычайно горячи, существуют очень короткое время, и ранее их температуру можно было оценить лишь с «огромными погрешностями».
По словам Боба Наглера, у учёных были хорошие методы для измерения плотности и давления в таких условиях, но не температуры. Эта задача оставалась «проблемой, существовавшей десятилетиями», и её решение является значительным прорывом.
Результаты эксперимента также опровергли теорию «энтропийной катастрофы», выдвинутую в 1980-х годах. Эта теория утверждала, что предел перегрева для твёрдого тела не может превышать его температуру плавления более чем в три раза.
Согласно старой теории, при более высоких температурах твёрдое тело обладало бы большей энтропией (беспорядком), чем его жидкая форма. Это создавало бы парадокс, нарушающий второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия в замкнутой системе должна всегда возрастать.
Новая гипотеза объясняет, почему золото осталось твёрдым. Чрезвычайная скорость нагрева не оставила кристаллической структуре времени для расширения и разрушения, необходимого для перехода в жидкое состояние. Эксперимент не нарушил второй закон термодинамики, а продемонстрировал, что «энтропийная катастрофа» не наступает, если процесс нагрева происходит достаточно быстро.
Это явление перегрева можно сравнить с нагревом воды в гладкой ёмкости в микроволновой печи. Вода может преодолеть свою точку кипения в 100 °C (212 °F) и остаться в жидком состоянии. Это метастабильное состояние, которое может быть нарушено малейшим возмущением, вызывая взрывное закипание.
Изображение носит иллюстративный характер
Эксперимент, результаты которого были опубликованы 23 июля в журнале Nature, возглавили Томас Уайт, доцент физики в Университете Невады в Рино, и Боб Наглер из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «Это, возможно, самый горячий кристаллический материал, когда-либо зарегистрированный», — заявил Томас Уайт.
Ключевой технологией стали сверхбыстрые рентгеновские лазеры высокой интенсивности. Процесс состоял из нескольких этапов. Сначала первый лазерный импульс длительностью 45 фемтосекунд (45 квадриллионных долей секунды) мгновенно нагревал тонкую кристаллическую плёнку золота.
При прохождении излучения через материал атомы золота начинали вибрировать с частотой, напрямую связанной с их температурой. Сразу после этого второй лазерный импульс направлялся на уже горячий образец. Этот импульс рассеивался на вибрирующих атомах.
Анализ сдвига частоты этих отражённых лучей позволил количественно измерить скорость движения атомов. На основе этих данных была с высокой точностью определена температура материала. Таким образом, был создан первый надёжный метод для измерения температуры в экстремально горячих и короткоживущих системах.
Эта разработка решает фундаментальную проблему в изучении «тёплого плотного вещества» — состояния материи, характерного для плазмы, окружающей Солнце, и ядер планет высокого давления. Такие системы чрезвычайно горячи, существуют очень короткое время, и ранее их температуру можно было оценить лишь с «огромными погрешностями».
По словам Боба Наглера, у учёных были хорошие методы для измерения плотности и давления в таких условиях, но не температуры. Эта задача оставалась «проблемой, существовавшей десятилетиями», и её решение является значительным прорывом.
Результаты эксперимента также опровергли теорию «энтропийной катастрофы», выдвинутую в 1980-х годах. Эта теория утверждала, что предел перегрева для твёрдого тела не может превышать его температуру плавления более чем в три раза.
Согласно старой теории, при более высоких температурах твёрдое тело обладало бы большей энтропией (беспорядком), чем его жидкая форма. Это создавало бы парадокс, нарушающий второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия в замкнутой системе должна всегда возрастать.
Новая гипотеза объясняет, почему золото осталось твёрдым. Чрезвычайная скорость нагрева не оставила кристаллической структуре времени для расширения и разрушения, необходимого для перехода в жидкое состояние. Эксперимент не нарушил второй закон термодинамики, а продемонстрировал, что «энтропийная катастрофа» не наступает, если процесс нагрева происходит достаточно быстро.
Это явление перегрева можно сравнить с нагревом воды в гладкой ёмкости в микроволновой печи. Вода может преодолеть свою точку кипения в 100 °C (212 °F) и остаться в жидком состоянии. Это метастабильное состояние, которое может быть нарушено малейшим возмущением, вызывая взрывное закипание.
