Oamenii de știință au folosit lasere de intensitate ridicată ultrarapidă pentru a supraîncălzi aurul până la 14 ori punctul său de topire, fără a transforma metalul solid într-un lichid.
Experimentul record, care a fost descris într-un studiu publicat pe 23 iulie în Jurnalul Naturăa distrus o teorie veche de zeci de ani despre stabilitatea solidelor și este prima metodă fiabilă pentru a măsura cu exactitate temperatura sistemelor extrem de fierbinți, au spus cercetătorii.
Statele neobișnuite de materie, cum ar fi plasma care înconjoară soarele sau miezurile de înaltă presiune ale planetelor, pot atinge temperaturi incredibile de milioane de grade Fahrenheit. Cu toate acestea, de fapt, punerea unei cifre la această așa-numită „materie densă caldă” s-a dovedit provocatoare, deoarece oamenii de știință s-au străduit să măsoare materialul cald de scurtă durată suficient de rapid pentru a obține rezultate fiabile.
„Avem tehnici bune pentru măsurarea densității și presiunii acestor sisteme, dar nu a temperaturii”, autorul co-conducere al studiului Bob Naglerun om de știință la Laboratorul Național de Accelerație SLAC al Departamentului Energiei, a declarat într -un declaraţie. “În aceste studii, temperaturile sunt întotdeauna estimări cu bare de eroare uriașe, care dețin cu adevărat modelele noastre teoretice-a trecut o problemă de zeci de ani.”
Prin urmare, viteza a fost esențială pentru luarea unei măsuri de succes. Pentru a realiza acest lucru, echipa a folosit 45 de femtosecunde (45 de cvadrilioane dintr-o a doua) impulsuri laser cu raze X pentru a încălzi rapid o peliculă de aur subțire. Pe măsură ce radiația a trecut prin filmul cristalin, atomii au vibrat la o frecvență direct legată de temperatura lor în creștere. Un al doilea puls a tras la eșantionul fierbinte apoi a împrăștiat acești atomi vibratori, iar schimbarea frecvenței acestor fascicule deviate a furnizat o măsurare cantitativă a vitezei atomilor și, prin urmare, a temperaturii.
Cu toate acestea, cercetătorii și -au dat seama că au obținut mult mai mult decât o nouă tehnică de măsurare. „Am fost surprinși să găsim o temperatură mult mai mare în aceste solide supraîncălzite decât ne-am așteptat inițial, ceea ce respinge o teorie de lungă durată din anii 1980”, autorul co-condus de studiu al studiului Thomas Whiteprofesor asociat de fizică la Universitatea din Nevada, a spus Reno în declarație.
Eșantionul de aur solid a atins un uimitor 19.000 de kelvine (33.700 de grade Fahrenheit, sau 18.700 de grade Celsius) – de 14 ori punctul de topire standard al elementului de 1.337 Kelvins (1.947 F, sau 1.064 C). “Acesta este posibil cel mai tare material cristalin înregistrat vreodată”, a adăugat White în altul declaraţie. “Mă așteptam ca aurul să se încălzească destul de semnificativ înainte de topire, dar nu mă așteptam la o creștere a temperaturii de paisprezece ori!”
În mod normal, solidele și lichidele au o temperatură definită la care se schimbă de la o stare la alta. Dar, în anumite condiții, materialele pot fi încălzite dincolo de aceste limite fără a schimba starea – un fenomen cunoscut sub numele de supraîncălzire. Acest efect este uneori observat în apă încălzită într -un cuptor cu microunde. Dacă recipientul este neted, nu există nereguli în jurul cărora se pot forma bule, astfel încât apa lichidă ocolește 212 f (100 C) fără a fierbe. Cu toate acestea, cea mai mică perturbare poate declanșa „catastrofe”, iar apa fierbe exploziv pe măsură ce această stare metastabilă este ruptă.
În anii 1980, fizicienii au calculat limita acestui efect de supraîncălzire pentru solide ca de trei ori punctul de topire, pe care l -au numit „catastrofa de entropie”. Deasupra acestui punct, teoretic, solidul ar avea o entropie sau o tulburare mai mare decât forma sa lichidă, rupând A doua lege a termodinamicii. Întrucât această lege afirmă că entropia trebuie să crească întotdeauna, ideea că particulele bine aranjate dintr -un solid ar putea fi mai dezordonate decât distribuția aleatorie a particulelor într -un lichid este o contradicție imposibilă.
Deci, cum a rămas proba de aur solidă de 14 ori punctul său de topire? Echipa a sugerat că viteza pură cu care au încălzit aurul a împiedicat structura cristalului să se extindă în timpul perioadei de timp a experimentului.
“Este important să clarificăm că nu am încălcat a doua lege a termodinamicii”, a spus White. „Ceea ce am demonstrat este că aceste catastrofe pot fi evitate dacă materialele sunt încălzite extrem de repede – în cazul nostru, în termen de trilioane de secunde”.