Измерването на температурата на изключително горещи материали отдавна е предизвикателство за учените. От плазмата в Слънцето до смазващите сили в ядрото на планетите и термоядрените реактори тези състояния на материята, известни като „топла плътна материя“, могат да достигнат стотици хиляди келвина. Досега изследователите не разполагаха с надежден начин да определят точната им температура.

„Разполагаме с добри техники за измерване на плътността и налягането на тези системи, но не и на температурата“, казва Боб Наглер, научен сътрудник в Националната лаборатория за ускорители SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) на Министерството на енергетиката. „В тези изследвания температурите винаги са приблизителни оценки с огромни грешки, което наистина забавя нашите теоретични модели. Това е проблем, който съществува от десетилетия.“

Екип от изследователи съобщи в сп. Nature, че за първи път са измерили директно температурата на атомите в топлата плътна материя. За разлика от по-ранните методи, които разчитаха на сложни модели, този нов подход измерва скоростта на атомите, което директно разкрива тяхната температура.

Изследването бе ръководено съвместно от Наглер от инструмента „Материя в екстремни условия“ (MEC) на SLAC и Том Уайт, доцент по физика в Университета на Невада, Рино. В сътрудничеството участваха учени от няколко институции, включително Кралския университет в Белфаст, Европейския XFEL, Колумбийския университет, Принстънския университет, Оксфордския университет, Калифорнийския университет в Мерсед и Университета на Уоруик.

В SLAC екипът използва лазер, за да прегрее тънка проба от злато. Докато атомите вибрираха по-бързо с повишаването на температурата, ултраярки рентгенови лъчи от Linac Coherent Light Source (LCLS) бяха изпратени през пробата. Разсеяните рентгенови лъчи леко промениха честотата си, разкривайки скоростта на атомите и по този начин тяхната температура. Тази техника, базирана на нееластично разсейване на рентгенови лъчи с висока разделителна способност, позволи на изследователите да проследят директно температурата на решетката по време на ултрабързото нагряване.

Резултатите надминаха очакванията на екипа. Златото беше нагрято до около 19 000 келвина (33 740 градуса Фаренхайт или ~18726,85 °C), което е повече от 14 пъти над точката му на топене, като същевременно запази кристалната си структура. Това откритие далеч надмина теоретичната граница на стабилност, известна като „ентропийна катастрофа“, описана за пръв път от Фехт и Джонсън.

Ентропийната катастрофа бележи момента, в който ентропията на прегрят кристал се равнява на тази на неговото течно състояние, което обикновено се случва при около три пъти по-висока температура от точката на топене. Ентропийната катастрофа е теоретична граница във физиката, която описва момента, в който прегрято твърдо тяло става толкова хаотично, колкото и неговата течна форма. В този момент ентропията, или мярката за хаотичност, на кристала се равнява на тази на течността, което означава, че твърдото тяло вече не може да остане стабилно и отдавна се счита за крайната граница на стабилността на твърдите тела.

На практика обаче твърдите тела обикновено се дестабилизират при много по-ниски температури поради йерархия от междинни катастрофи, като топене на повърхността или образуване на дефекти. Тези събития са попречили на експерименталното изследване на самата ентропийна катастрофа. Чрез нагряване на златните проби в ултрабързи времеви мащаби – в рамките на трилионни от секундата – изследователите са заобиколили тези междинни нестабилности. Неспособността на материала да се разширява при такива условия на бързо нагряване изглежда е била ключов фактор за поддържането на неговото твърдо състояние.

Резултатите от изследването сочат, че ентропийната катастрофа може да не представлява строга горна граница за прегряване и че твърдите тела могат да останат стабилни при много по-високи температури, ако се нагряват достатъчно бързо. Това поставя под въпрос четири десетилетия теоретични предположения и предоставя нови познания за динамиката на топене при екстремни условия.

Наглер отбелязва, че учените може би са превишили, без да знаят, границата на ентропийната катастрофа в минали експерименти, но не са имали начин да го потвърдят. „Ако първият ни експеримент с тази техника доведе до сериозно предизвикателство за утвърдената наука, не мога да чакам да видя какви други открития ни очакват“, казва той.

Екипът вече е приложил метода за изследване на материали, компресирани чрез удар, които имитират вътрешността на планетите. Те планират да го използват и в изследвания на инерционната фузия, където познаването на точните температури е от съществено значение за проектирането на горивни мишени. С тази нова техника изследователите вече могат да измерват температури на атомите в диапазона от 1000 до 500 000 келвина, което отваря вратата към по-точни изследвания на екстремната материя.

Снимка: Unsplash

Виж още: iQOO 15 и неговият геймърски чип поставиха рекорд в Geekbench