Ein Team von Forschern am SLAC National Accelerator Laboratory hat einen bedeutenden Fortschritt in der Materialphysik erzielt, indem es erstmals die Temperatur von Atomen in heißer, dichter Materie präzise messen konnte. Diese bahnbrechende Arbeit, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, nutzte den MEC-Laser am SLAC, um eine Goldprobe auf eine extreme Temperatur von 19.000 Kelvin (etwa 18.726 Grad Celsius) zu erhitzen. Dies entspricht mehr als dem Vierzehnfachen des Schmelzpunktes von Gold, und das Faszinierende dabei ist, dass das Material seine feste Struktur beibehielt, anstatt zu schmelzen.
Diese Beobachtung stellt eine direkte Widerlegung der lange bestehenden Theorie der „Entropiekatastrophe“ dar. Diese Theorie besagte, dass Festkörper oberhalb des etwa dreifachen Schmelzpunktes nicht stabil bleiben können und spontan schmelzen. Die Experimente am SLAC haben gezeigt, dass durch extrem schnelles Erhitzen Materialien offenbar über diese theoretischen Grenzen hinaus stabilisiert werden können, was auf ein potenziell unbegrenztes Spektrum für überhitzte Materialien hindeutet.
Die Methode, die zur Messung der Atomtemperatur eingesetzt wurde, basiert auf der Analyse der Geschwindigkeit, mit der die Atome in der Probe schwingen, indem sie von einem ultrakalten Röntgenlaserpuls durchstrahlt wird. Diese Technik ermöglicht eine direkte Messung der thermischen Energie auf atomarer Ebene, eine Herausforderung, die Wissenschaftler seit langem beschäftigt. Die Erforschung sogenannter „warm-dichter Materie“ ist von entscheidender Bedeutung, da sie Zustände beschreibt, die im Inneren von Gasriesen und Sternen vorkommen.
Bisher war die genaue Temperaturmessung dieser Materiezustände äußerst schwierig und mit großen Unsicherheiten behaftet. „Wir haben gute Techniken zur Messung von Dichte und Druck dieser Systeme, aber nicht für die Temperatur“, erklärte Bob Nagler, leitender Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory. „In diesen Studien sind die Temperaturen immer Schätzungen mit großen Fehlerbalken, was unsere theoretischen Modelle stark einschränkt. Dies war ein jahrzehntelanges Problem.“ Die neue Methode, die die Geschwindigkeit der Atome direkt misst, verspricht, diese Lücke zu schließen und das Verständnis komplexer Systeme zu vertiefen.
Thomas White, Hauptautor der Studie und Professor für Physik an der University of Nevada, Reno, äußerte sich begeistert über die Ergebnisse: „Dies ist möglicherweise das heißeste kristalline Material, das jemals aufgezeichnet wurde.“ Diese Entdeckung eröffnet neue Wege für die Materialwissenschaft, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung von Materialien für extreme Bedingungen, wie sie in der Fusionsforschung oder der Astrophysik anzutreffen sind. Die Fähigkeit, die Eigenschaften von Materie unter solch extremen Bedingungen zu verstehen und zu kontrollieren, ist ein wichtiger Schritt zur Erschließung neuer Technologien und zur Vertiefung unseres Wissens über das Universum. Die Arbeit unterstreicht die Leistungsfähigkeit von Einrichtungen wie dem Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC als Werkzeuge für grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen.