Команда исследователей совершила прорыв в физике материалов, впервые напрямую измерив температуру атомов в горячей и плотной материи. Эксперимент, проведенный с использованием лазера MEC (Matter in Extreme Conditions) на Национальной ускорительной лаборатории SLAC, позволил нагреть образец золота до экстремальных 19 000 Кельвинов (примерно 18 726 градусов Цельсия). Эта температура более чем в 14 раз превышает точку плавления золота, однако материал сохранил свою твердую структуру, что бросает вызов устоявшимся научным представлениям.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, демонстрируют применение мощного лазера для сверхбыстрого нагрева тонкой золотой фольги. Затем через нагретый образец был направлен импульс рентгеновского излучения от источника Linac Coherent Light Source (LCLS). Анализируя рассеяние рентгеновских лучей, исследователи смогли напрямую определить скорость вибрации атомов, что является прямым показателем их температуры. Этот метод открывает новые возможности для точного измерения температур в экстремальных состояниях материи, которые ранее были труднодоступны для точной количественной оценки из-за их кратковременности и нестабильности.
Полученные данные опровергают теорию «энтропийной катастрофы», которая предполагала, что твердые тела не могут оставаться стабильными при температурах, превышающих примерно трехкратное значение их точки плавления. Исследование показало, что при сверхбыстром нагреве, происходящем в течение триллионных долей секунды, материалы могут избегать этой катастрофы и сохранять свою кристаллическую структуру даже при температурах, значительно превышающих теоретические пределы. Это наблюдение предполагает, что для сверхнагретых материалов может не существовать верхнего предела температуры, если процесс нагрева происходит достаточно быстро, чтобы предотвратить расширение и фазовый переход.
«Мы были удивлены, обнаружив гораздо более высокую температуру в этих перегретых твердых телах, чем мы изначально ожидали, что опровергает давнюю теорию 1980-х годов», — отметил Томас Уайт, один из ведущих авторов исследования и профессор физики Университета Невады в Рино. Этот прорыв имеет далеко идущие последствия для понимания таких явлений, как процессы внутри звезд, ядра планет и условия в термоядерных реакторах. Возможность точно измерять температуру в таких условиях критически важна для развития теоретических моделей и практических приложений в области энергетики и астрофизики.
Исследователи из SLAC подчеркивают, что их новый метод позволяет измерять температуры в диапазоне от 1000 до 500 000 Кельвинов, что значительно расширяет возможности изучения состояний материи, встречающихся в экстремальных космических условиях. Этот успех не только демонстрирует мощь современных лазерных технологий и рентгеновских источников, но и открывает новую главу в понимании фундаментальных свойств материи при экстремальных температурах и давлениях, пересматривая границы известного в физике.