Этот эксперимент, описанный в исследовании, опубликованном 23 июля в журнале Nature, разрушил теорию 1980-х годов о пределах устойчивости твердых тел и стал первым надежным методом точного измерения температуры экстремально горячих систем, заявили авторы работы.
Такие экстремальные состояния материи, как плазма солнечной короны или сверхплотные ядра планет, могут достигать миллионов градусов по Фаренгейту. Однако измерение температуры этой «теплой плотной материи» всегда было проблемой: вещество сохраняет свои свойства слишком короткое время для получения точных данных.
«У нас есть методы измерения давления и плотности таких систем, но не температуры, — отметил соавтор исследования Боб Наглер из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. — До сих пор оценки температуры имели огромную погрешность, что тормозило развитие теоретических моделей. Мы боролись с этой проблемой десятилетиями».
Ключом к решению стали скорость и точность. Команда использовала рентгеновские лазерные импульсы длительностью 45 фемтосекунд (45 квадриллионных секунды), чтобы мгновенно нагреть тонкую золотую пленку. Проходя через кристаллическую решетку, излучение заставляло атомы вибрировать с частотой, зависящей от температуры. Второй импульс, направленный на раскаленный образец, рассеивался этими атомами, а изменение частоты отраженного луча позволило точно измерить скорость колебаний и, следовательно, температуру.
Но ученые совершили не только прорыв в измерениях. «Мы обнаружили, что твердое золото нагрелось сильнее, чем предполагали, что опровергает классическую теорию 1980-х», — заявил соавтор работы Томас Уайт, профессор физики Университета Невады в Рино.
Образец золота разогрелся до 19 000 кельвинов (33 700 °F или 18 700 °C) — это в 14 раз выше стандартной температуры плавления металла (1337 К, 1064 °C). «Возможно, это самая горячая кристаллическая структура из когда-либо зарегистрированных, — добавил Уайт. — Мы ожидали сильного нагрева, но не четырнадцатикратного!»
Обычно переход между агрегатными состояниями происходит при строго определенной температуре. Однако в состоянии перегрева (супернагрева) материал может её превысить без изменения фазы. Этот феномен наблюдается, например, при нагреве воды в микроволновке: в идеально гладком стакане отсутствуют центры парообразования, и жидкость становится перегретой. Но малейшее движение провоцирует взрывное вскипание.
В 1980-х физики рассчитали предел супернагрева для твердых тел — тройную точку плавления. По их теории, при её превышении энтропия (мера хаоса) твердого тела должна превзойти энтропию жидкости, нарушив второй закон термодинамики, который требует роста беспорядка. Такой парадокс назвали «энтропийной катастрофой». Но золото в эксперименте осталось твердым, несмотря на 14-кратный перегрев. Как?
Авторы объясняют это скоростью. Нагрев за триллионные доли секунды не дал кристаллам золота расшириться и потерять структуру. «Мы не нарушили законы термодинамики, — подчеркнул Уайт. — Мы показали, что катастрофу можно избежать, если нагревать материал невероятно быстро».
Открытие имеет значение для изучения экстремальных состояний материи в астрофизике и термоядерном синтезе. Например, в ядрах планет-гигантов или в экспериментах с лазерным сжатием плазмы. Ученые планируют применить методику к другим металлам, чтобы выяснить, насколько универсален выявленный механизм.
